麻省理工学院开创高速生成p比特新方法

传统计算机中明确的0和1状态，可能无法为复杂现实世界问题提供精确答案。一个新兴研究领域开创了名为概率计算的计算范式。如今，麻省理工学院的研究团队首创了一种以更高速率生成概率比特（p-bit）的全新技术——通过光子学在空白空间中利用量子随机振荡。这一方法有望解决传统计算机难以应对的复杂优化问题、不确定性挑战，以及大规模数据集的机器学习任务。

什么是概率比特（p-bit）？

概率计算机的基本构建单元被称为p比特，类似于经典计算机中的比特，但它的状态会在0和1之间根据概率分布随机波动。迄今为止，p比特通常由利用某些物理特性随机波动的电子元件制成。然而，在最新一期《科学》杂志发表的一篇论文中，麻省理工学院团队创造了有史以来第一个光子p比特。

传统计算机以确定性方式运行，难以有效处理许多物理过程和复杂系统中固有的不确定性与随机性。概率计算通过使用行为随机的组件构建处理器，提供了一种更自然的解决方案来应对这类问题。

概率计算的主要应用领域

• 复杂优化问题：例如具有大量可能解决方案的优化难题
• 大规模机器学习：在包含不确定性的超大规模、不完整数据集上进行学习
• 气象学和气候模拟：处理混沌系统中的随机性
• 垃圾邮件检测和反恐软件：分析不确定的模式
• 下一代人工智能研究：探索概率推理的新范式

光子p比特的核心技术原理

1. 光学参数振荡器（OPO）

研究人员将激光注入一个光学参数振荡器（OPO）腔体，使光以特定频率振荡。该装置本质上由一对反射镜组成，光在两者之间来回反射。不过，光并非在物理真空中传播——类似于外层空间的那种真空环境。

每次设备加电时，振荡的相位可能呈现两种状态中的一种。这种状态取决于被称为“真空涨落”的量子现象，该现象本质上是完全随机的。

小提示：真空涨落并非“空无一物”，而是量子力学中固有的能量波动。即使在绝对零度和完全真空中，这种随机性依然存在。

2. 真空状态与随机相位

Roques Carmes解释说：“原则上……它处于黑暗状态。我们不发送任何光。这就是我们在光学中所说的真空状态。平均而言，空腔中没有光子。”

当激光被泵入腔内时，光以特定频率振荡。但每次设备通电时，振荡的相位都可能呈现两种状态之一。具体处于哪种状态，取决于被称为真空波动的量子现象，该现象本质上是完全随机的。这种量子效应是原子光谱中的Lamb shift、以及分别在纳米系统和分子中发现的Casimir力和van der Waals力等已被充分观测的物理现象背后的原因。

3. 对随机性的控制能力

OPO此前已被用于生成随机数，但麻省理工学院团队首次证明，他们能够对输出的随机性施加一定程度的控制。通过向振荡器注入极其微弱的激光脉冲——微弱到平均每个脉冲所含光子数少于一个——他们可以改变振荡器进入特定相位状态的概率。

研究人员表示，这种能够影响但并非决定性地设定OPO相位状态的能力，使其成为生成p比特的一种极具前景的方法。

核心结论：Roques Carmes说：“我们可以保留使用量子物理学产生的随机性，但在一定程度上，我们能够控制这些量子变量所生成的概率分布。”

当前成果与性能指标

该团队目前能够每秒产生10000个p比特。换句话说，他们每秒可以生成10千比特，这至少在当前概率计算技术水平下，似乎是构建概率计算机所需的关键能力。

研究团队提到，他们能够在给定概率分布下，每秒输出10000个p比特的信号。

常见问题与解答

Q1：光子p比特相比电子p比特有哪些优势？

A：斯坦福大学科学研究员、麻省理工学院客座科学家Charles Roques-Carmes表示，使用光子组件的吸引力在于它们运行速度更快，能效也显著更高。他补充道：“主要优势在于，原则上你每秒可以生成大量随机数。”

Q2：这项技术能否立即用于构建实用概率计算机？

A：不能。该团队使用一组大型桌面光学组件构建了他们的设备，因此利用这些原理打造一台实用概率计算机仍需大量工作。但麻省理工学院电子研究实验室的博士后Yannick Salamin表示，并不存在根本性障碍。“我们想展示其物理性质，因此建造了这个大型系统，”他说，“但如果你对规模化和小型化等感兴趣，相关领域的专家完全可以实现。”

Q3：科学界如何看待这项研究？

A：加州大学圣巴巴拉分校电气工程和计算机科学助理教授Kerem Çamsari表示，麻省理工学院团队的工作“非常令人兴奋”，但他希望看到这种概念验证能在更大规模上建立起来，而不仅仅是单个p比特。他说：“很高兴看到从单个p比特到相关光子p电路的后续工作。”

巴塞罗那加泰罗尼亚技术大学光子科学研究所（ICFO）原子量子光学教授Morgan Mitchell表示，这项新工作“在经典光学计算的背景下很有趣”，但他警告不要过度解读初期结果。他指出，值得关注的是，作者能否量化p比特的状态在多大程度上源自真空产生的随机性，而非其他明显的随机性来源（如环境噪声或设备缺陷）。

未来展望

下一步是p电路（p-circuit）吗？将单个p比特扩展为相关光子p电路，是构建真正概率计算机的关键一步。随着小型化和集成化技术的进步，这种基于光子学的概率计算方法有望在气象学、反恐、人工智能等领域产生新的影响力。

责任编辑：彭菁

你是一名 AI 行业编辑，请围绕下面这条热点输出一份资讯解读：
热点：麻省理工学院开创高速生成p比特新方法要求：
1. 先用一句话解释这条热点在讲什么
2. 再总结它为什么重要
3. 说明会影响哪些 AI 产品或内容方向
4. 最后给出 3 个适合资讯站使用的标题