當今計算機的明確0和1可能會阻礙對混亂的現實世界問題的準確答案。一個新興的研究領域開創了一種稱為概率計算的計算方法。現在，麻省理工學院的一組研究人員開創了一種以更高的速率生成概率比特（p比特）的新方法——通過光子學在空白空間中利用隨機量子振蕩。

傳統計算機運行的確定性方式不太適合處理許多物理過程和復雜系統中的不確定性和隨機性。概率計算有望提供一種更自然的方法來解決這類問題，方法是用行為隨機的組件構建處理器。

該方法特別適用于具有許多可能解決方案的復雜優化問題，或在不確定性問題存在的非常大和不完整的數據集上進行機器學習。概率計算可以在氣象學和氣候模擬、垃圾郵件檢測和反恐軟件或下一代人工智能研究中產生新的影響力。

該團隊現在可以每秒產生10000個p比特。下一步是p電路（p-circuit）嗎？

概率計算機的基本構建塊被稱為p比特，與經典計算機中的比特等價，只是它們根據概率分布在0和1之間波動。到目前為止，p位已經由利用某些物理特性的隨機波動的電子元件制成。

但在最新一期《科學》雜志（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh4920）上發表的一篇新論文中，麻省理工學院的團隊創造了有史以來第一個光子p位。斯坦福大學科學研究員、麻省理工學院客座科學家Charles Roques-Carmes說，使用光子組件的吸引力在于它們運行得更快，能效也高得多。他補充道：“主要的優點是，原則上，你每秒可以生成很多隨機數。”

研究人員將激光注入一個光學參數振蕩器（OPO）腔體，使光以特定頻率振蕩。它本質上是一對反射鏡，在它們之間來回反射光。然而，光并不是在物理真空中傳播的，就像外層空間是真空一樣。每次設備加電時，振蕩的相位都可能是兩種狀態中的其中一種。這種狀態取決于被稱為“真空漲落”的量子現象，這種現象本質上是隨機的。Roques Carmes說：“原則上……它是在黑暗中。我們不發送任何光。所以這就是我們在光學中所說的真空狀態。平均來說，空腔中沒有光子。”

當激光被泵入腔內時，光以特定的頻率振蕩。但每次設備通電時，振蕩的相位都可能呈現兩種狀態中的一種。它所處的狀態取決于被稱為真空波動的量子現象，而真空波動本質上是隨機的。這種量子效應是原子光譜的Lamb shift以及分別在納米系統和分子中發現的Casimir力和van der Waals力等觀察良好的現象背后的原因。

OPO以前曾被用于生成隨機數，但麻省理工學院的團隊首次表明，它們可以對輸出的隨機性施加一定的控制。通過向振蕩器注入極其微弱的激光脈沖——如此微弱，平均每個脈沖只有不到一個光子——它們可以改變振蕩器進入特定相位狀態的概率。

研究人員表示，這種影響但不是決定性地設定OPO相位狀態的能力使其成為生成p位的一種很有前途的方法。Roques Carmes說：“我們可以保持使用量子物理學產生的隨機性，但在某種程度上，我們可以控制這些量子變量產生的概率分布。”

研究團隊提到，他們能夠在給定的概率分布下每秒產生10000個p比特的信號。換句話說，他們每秒可以產生10千比特，至少在目前的概率計算技術水平上，這似乎是構建概率計算機所需的方式。

該團隊使用一組大型桌面光學組件構建了他們的設備，因此使用這些原理構建一臺實用的概率計算機需要大量的工作。但麻省理工學院電子研究實驗室的博士后Yannick Salamin表示，沒有根本的障礙。“我們想展示它的物理性質，所以我們建造了這個大型系統，”他說，“但如果你對擴大規模和小型化等感興趣，這方面的專家可以做到。”

加州大學圣巴巴拉分校電氣工程和計算機科學助理教授Kerem ?amsari表示，麻省理工學院小組的工作“非常令人興奮”，但他希望看到這種概念驗證能在更大的范圍內建立起來，而不僅僅是單個p位。他說：“很高興看到從單個p位到相關光子p電路的后續工作。”

巴塞羅那加泰羅尼亞技術大學光子科學研究所（ICFO）原子量子光學教授Morgan Mitchell表示，這項新工作“在經典光學計算的背景下很有趣”，但他警告不要過多解讀最初的結果。很有意思的是，看看作者是否能夠量化p位的狀態在多大程度上是由于真空產生的隨機性，而不是其他明顯的隨機性來源，如環境噪聲或設備缺陷。

責任編輯：彭菁