概率计算 / 专用量子计算

概率计算

概率计算是用【自旋电子学、磁学】的物理、材料、器件，物理本征地模拟药物研发、科学计算、物流交通、金融、航空、电网、通信、水利中存在【随机、概率】的模型。

可以理解为概率计算将上述问题转换为伊辛模型（Ising Model），利用马尔科夫链蒙特卡洛、量子模拟退火（Quantum Simulated Annealing）的算法进行物理本征地求解。

左：经典计算 bit，0 和 1 是分立的

中：概率比特 p-bits，0 和 1 在随机、概率地转换

右：量子比特 qubits，0 和 1 是共存的、相干的、多态的

可以通俗地理解为：概率计算实现了室温的、低成本的、大规模的绝热量子比特。

硅基半导体 → 非硅基磁性材料

利用 MTJ 器件作为可控的、耦合的、高速的、大量并行的真随机概率发生源。

中间三层【粉色、蓝色、粉色】三明治结构，其中最上层 CoFeB 中的【自旋方向】可以快速翻转；通过微弱电流探测其状态，得到概率性的 0 或 1。

将诸多上述器件，或相关核心，用 FPGA 芯片或 ASIC 芯片中的电路设计，连接起来，做成伊辛模型的结构。通过芯片制造，做成概率计算芯片。

概率比特的实际意义

科学计算中，模拟铁块融化为铁水的过程，100bits 代表了 100 个原子，5000 比特是 5000 个原子。

在药物研发中，比特数与需要筛选的小分子的分子量、原子量成比例。

在交通、物理、航空路径规划中，100 比特则可以理解为，代表了 100 个城市，均有现实意义。

在电网、通信网、水利网络调度、优化中，100 比特则可以理解为 100 个节点或者 100 个可调阀门。

例如量子计算公司 D-Wave Quantum Inc. 在 2000 比特处，为 MasterCard 信用卡中心求解一些金融产品推荐、金融投资组合问题。

在 5000 比特处求解一个机场的机组人员、地勤人员随航班起落、流量控制的调度问题。

更大比特则对应目前人类无法解决的未来问题，比如核武密码破解、超大城市的调度问题、人类社会的演化、大规模的药物筛选与设计、星际旅行等。

专用量子计算

专用量子计算是量子计算的一个重要分支，指的是针对特定问题领域设计和优化的量子计算系统。有别于力图实现通用计算的通用量子计算机吗，专用量子计算机在硬件和算法上都针对特定问题进行专门设计，通过牺牲通用性来换取在目标问题上的高效求解能力。

目前专用量子计算主要采用量子退火和量子模拟两种技术路线。基于量子退火的专用机主要面向组合优化问题，代表性企业为 D-Wave 公司；基于量子模拟的专用机主要用于模拟复杂量子系统，代表性企业为 IonQ 等。

对于组合优化问题，理论研究表明量子退火算法能够在求解速度上超越经典算法。D-Wave 开发的量子退火机在诸多实际优化问题中展现了优势，包括航班调度、蛋白质折叠、机器学习等。尽管 D-Wave 机器的量子比特规模已达 5000 左右，但受限于比特间耦合方式，其计算图灵机的能力还未得到严格证明。不过作为一种探索性计算范式，其价值已得到初步体现。而 D-Wave 于 2024 年推出的新一代 Advantage2 系统，采用 Zephyr 架构，量子比特数量提升至 1200 左右，速度提高 20 倍。并具有更高的量子比特连接度，为求解更加复杂的优化问题做好准备。