概率运算的算法（一种新的计算范式）

概率运算的算法（一种新的计算范式）在构建此类计算机的几种方法中，东北大学Shun Kanai教授团队正在研究称为“磁隧穿结”的设备——该设备由两层磁性金属制成，由超薄绝缘体隔开。当电子隧穿绝缘层时，这两个纳米磁性器件在电流和磁场下被热激活。根据它们的自旋，电子可以引起磁铁内部的变化或波动。这些波动被称为“p比特”（经典计算机中二进制开/关或0/1比特的替代方案），它可能构成概率计算的基础。01概率计算机的基础：描述磁隧穿结的内部现象

在计算机科学领域，日本向来是一个与众不同的国家。1981年，日本启动了第五代计算机工程，目的是改进计算机的设计思想，达到既降低计算机硬件成本，又使计算机具有“人工智能”的能力。但由于想法过于超前，最终宣告失败。如今正处于第二次量子革命，当世界各国都在努力攻关量子计算机时，日本东北大学提出了一种介于经典和量子之间的一种新的计算范式——概率计算：这种可以在室温下运行的计算机能够从复杂的输入中推断出潜在的答案。它不是计算机提供单一的、离散的结果，而是挑选出模式并提供对结果可能的良好猜测。相关研究成果[1]发表在《自然·通讯》期刊上。

谈及概率计算与量子计算的区别，简单来说，相比经典计算，概率计算增加了概率，而量子计算增加了复杂的概率振幅。

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概率计算机的基础：描述磁隧穿结的内部现象

在构建此类计算机的几种方法中，东北大学Shun Kanai教授团队正在研究称为“磁隧穿结”的设备——该设备由两层磁性金属制成，由超薄绝缘体隔开。当电子隧穿绝缘层时，这两个纳米磁性器件在电流和磁场下被热激活。根据它们的自旋，电子可以引起磁铁内部的变化或波动。这些波动被称为“p比特”（经典计算机中二进制开/关或0/1比特的替代方案），它可能构成概率计算的基础。

左：超顺磁隧穿结装置的鸟瞰图。右：实际设备的扫描电子显微镜图像的俯视图。

但要设计概率计算机，科学家们需要能够描述磁隧穿结内发生的物理现象。这正是此次东北大学电气通信研究所团队所取得的成就。

“我们已经通过实验阐明了在磁场和磁隧穿结中的自旋转移转矩引起的扰动下控制波动的‘转换指数’（switching exponent），”Kanai说[2]：“这为我们在p比特中实现磁性隧穿结，复杂地设计概率计算机提供了数学基础。我们的工作还表明，这些设备可用于研究与热激活现象相关的、未知领域的物理探索。”

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自旋转移矩（STT）系列实验：测量转换指数

具体来说，此次实验方法基于Néel-Arrhenius定律，其中自旋转移矩（STT）利用对外部扰动，具有高灵敏度的超顺磁隧穿结。实验中涉及的电路检测，通过诸如纳秒STT切换、零差检测铁磁共振和随机电报噪声等测量来确定一系列‘转换指数’。

零差检测到的铁磁共振。a）用于零差检测铁磁共振(FMR)的电路。b）由FMR确定的有效各向异性场的直流偏置电压V依赖性。

a)用于测量低热稳定性因数MTJ的自旋转移扭矩(STT)切换概率的电路配置。b)应用于MTJ的电压波形示意图。c)在持续时间为85 ns的读取序列期间，在示波器上监测的传输电压。d)开关概率作为脉冲电压幅度V的函数，具有不同的写入脉冲持续时间tpulse。e)开关电压VC作为tpulse-1的函数。

a、b）电路配置分别用于测量V~0和V≥25 mV的随机电报噪声(RTN)。c）示波器上监测的典型RTN信号。d）对于μ0 Hz=-30.5 mT，P和AP状态的事件时间（两个连续切换事件之间的持续时间）直方图。e）作为垂直磁场Hz函数的预期切换时间。

实验确定的转换指数nH、nI

综上所述，这项工作通过实验揭示了迄今为止无法获得的场和STT下的热激活开关率的表示方法，使用了一个相关的材料系统进行应用；获得的结果可以使非易失性存储器和非常规计算硬件的精密工程成为可能。通过转换指数，团队还发现，尽管磁场和STT之间存在质的区别，但在垂直MTJ的情况下，它们对能量景观的影响是相等的。实验结果还表明，超顺磁隧穿结和对其局部分岔的分析可以作为一种多功能的工具来研究与一般的热激活现象有关的、具有各种配置和外部扰动的未开发的物理学。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-31788-1

[2]http://www.tohoku.ac.jp/en/press/one_step_closer_to_probabilistic_computing.html

[3]https://analyticsindiamag.com/will-probabilistic-computing-overshadow-quantum-computing/