量子計算機的新對手：隨機磁電路，因數分解更厲害

曉查 2019-09-19 12:56:34 來源：量子位

曉查 發自 凹非寺

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大數的因子分解是現代非對稱加密的數學基礎之一，誰能用算法在較短的時間內破解這個問題，就將嚴重威脅現存的加密體系。

這也是科學家們如此重視量子計算機的原因，量子計算中的Shor算法能夠較快的分解一個大數。

如今，來自日本東北大學和美國普渡大學的科學家們受到神經網絡原理的啟發，發明了一種新的硬件，也能夠實現因數分解，而且這種硬件的制造工藝和使用方法比量子計算機更簡單。現在它只需8bit就能對945執行因數分解。

這就是包含納米磁體的集成電路，完整的名稱是：隨機行為納米磁性隧道結（MTJ）。目前相關論文已刊登在《Nature》雜志上。

與量子計算機有何不同

下圖展示了普通計算機、量子計算機和隨機磁電路的區別：

a表示普通計算機，只能處于0或者1兩種狀態之一，0和1的區別就在于柵極上帶的是哪種電荷；d表示量子計算機，可以同時處于0和1兩種狀態的疊加，就像薛定諤的貓，只要沒打開箱子，就同時處于“死和生”兩種狀態。

而隨機磁電路中每個位也具有0或1的狀態，這取決于磁體中的電子的總體自旋是向下還是向上。隨機磁位在0和1狀態之間隨機波動，并且在每種狀態下具有一定的概率，在圖中由箭頭大小表示。

隨機磁電路與現有的磁阻隨機存儲器原理類似，不過其能壘更低。對于隨機磁電路中的位來說，由于0和1之間的能量差距很小，隨機弛豫力導致納米磁體在兩種狀態之間隨機波動，研究人員這種比特叫做隨機比特，簡稱p比特（p-bit）。

不同p比特之間通過磁場產生相互作用，調節納米磁體的直徑和厚度可以改變其消磁所用的時間。為了讓磁體之間形成隨機神經網絡的模塊，研究人員將隨機MTJ與NMOS晶體管連接起來，獲得一個三端p比特。

優點

在論文提到的因數分解算法中，只需n個p比特就可以編碼高達2ⁿ⁺²的整數，這種關系比當前的量子計算機方案需要的比特數更少。

除了在存儲和算法上的優勢外，隨機磁電路相比量子計算機還有兩大優點。

首先，納米磁鐵芯片可以使用已有的磁阻隨機存儲器（MRAM）工藝制造，而量子計算機則需要高度復雜的制造工藝。

其次，納米磁芯片可以在室溫下工作，而量子計算機需要冷藏才能保持在絕對溫度1K以下。因為要維持低溫，量子計算機需要消耗大量能量，計算機本身每一瓦的功率，則需要大約一千瓦的制冷功率，這會增加開發和操作的難度。

應用前景

用于質因子分解的納米磁芯片方法仍處于起步階段，需要進行許多開發才能將它轉變為實用的計算引擎。其中的挑戰有：將數千個磁位相互連接起來，在集成電路中組合磁位和普通的晶體管。

與量子計算相比，這些要求能夠更快更容易地實現，未來許多機構的資金可能會從量子計算轉向納米磁芯片。

隨機磁電路是對MRAM技術進行微小的修改就能實現的，研究人員認為，這種技術未來還可以在優化、采樣和機器學習領域找到應用。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1557-9