概率计算机或许有一天能够解决标准计算机难以应对的特定问题，同时规避量子计算在硬件层面面临的诸多挑战。近日，科学家们宣布已研制出迄今规模最大的概率计算机，该机器拥有100万个"概率比特"。最新发布的研究论文表明，这一成果为构建更大规模的同类机器指明了方向。
概率比特（p-bit）填补了普通计算机所用比特与量子计算机所用量子比特之间的空白。普通比特以0或1的形式表示数据；量子比特因量子物理的奇特性质，可同时处于0、1或两者之间任意叠加的状态；而p-bit则以可调节的概率在0与1之间随机翻转。
一个在0和1之间来回翻转的比特看似毫无用处——在普通计算机中，这种噪声确实会导致系统无法正常运行。然而，当大量此类"噪声比特"以相关联的方式协同工作时，便可用于求解一类基于概率而非确定数值运算的问题，即随机性问题。这类问题涵盖各种优化场景，例如寻找配送一批包裹的最短路线。
其他类型的机器同样被设计用于处理随机性问题，例如二次无约束二值优化（QUBO）设备或伊辛机。但加州大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程系副教授凯雷姆·恰姆萨里（Kerem Camsar?）指出，与上述设备不同，概率计算机并非为单一问题"硬连线"，而是可编程的通用计算机器。
2019年发表于《自然》杂志的一项研究中，科学家开发出了一台拥有8个p-bit的概率计算机；到2023年，研究人员已将规模扩展至7200个p-bit。然而，这些设备均被限制在单块芯片上。将多块此类芯片联网并不像普通GPU或CPU那样简单：概率计算机依赖相关涨落运行，而在一组导线上同步这些涨落并非易事。这引发了外界对于概率计算机能否扩展至更大规模以及扩展过程中可能面临哪些问题的质疑。
如今，在最新研究中，恰姆萨里及其团队研制出了迄今最大的概率计算机，该机器拥有100万个p-bit，分布在多块芯片上。相关研究成果已于6月24日发布在ArXiv预印本服务器上。
这台新型计算机运行于18块现场可编程门阵列（FPGA）之上——FPGA是一种用户可在出厂后重新配置的电子芯片。该设计中不存在实体翻转比特，但芯片的可编程特性使得概率比特的软件实现十分高效。这些芯片被联网整合为一台机器，整体每秒可执行超过一万亿次翻转操作。
科学家们面临的一大核心问题，是各芯片之间需要多频繁地共享数据，才能作为一台计算机整体运行，而非多台孤立设备。斯坦福大学电气工程系博士后学者纳维德·安朱姆·阿迪特（Navid Anjum Aadit）表示，令人惊喜的是，"我们的机器在通信时无需全局锁步同步。"
研究人员发现了一条简洁且可预测的设计规则，用于确定概率计算机中不同芯片之间交换数据的频率下限，以确保它们能作为一台整体机器协调运行。恰姆萨里表示，低于这一阈值时，概率计算机将在速度与精度之间面临取舍。
研究人员表示，上述新发现或将开辟一条路径，使得像今天的标准计算机那样，由多块芯片构建任意规模的概率计算机成为可能，且这些发现同样适用于几乎任何硬件构建的概率计算机。
展望未来，研究团队计划探索利用专为概率计算设计的专用芯片来构建大规模概率计算机。恰姆萨里指出，例如2019年那项《自然》研究就采用了磁隧道结来构建概率计算机，其在概率计算方面比标准芯片更具能效优势。阿迪特补充道："将CMOS与MRAM等高密度随机存储技术相结合的系统，是目前最具潜力的前进方向之一。"
Q&A
Q1：概率比特（p-bit）和普通比特、量子比特有什么区别？
A：普通比特只能表示0或1两种确定状态；量子比特因量子叠加原理，可同时处于0、1或任意中间状态；而概率比特（p-bit）则以可调节的概率在0和1之间随机翻转。p-bit介于两者之间，既不像量子比特那样需要苛刻的物理条件，也比普通比特具备更强的随机性处理能力，适合求解基于概率的随机性优化问题。
Q2：这台百万p-bit概率计算机是怎么构建的？
A：该计算机由18块现场可编程门阵列（FPGA）联网组成，总计拥有100万个概率比特。FPGA是一种出厂后仍可重新编程配置的电子芯片，设计中没有实体翻转比特，而是通过软件方式高效实现p-bit功能。整台机器每秒可完成超过一万亿次翻转操作，并且无需全局锁步同步即可协调运行。
Q3：概率计算机能解决哪些实际问题？
A：概率计算机擅长处理随机性（stochastic）问题，即基于概率而非确定数值的运算任务，典型应用包括各类优化问题，例如物流配送中的最短路线规划。与QUBO设备或伊辛机等专用机器不同，概率计算机是可编程的通用机器，能够灵活应对多种类型的优化问题，而非局限于特定任务。
