日本東北大學(xué)和美國普渡大學(xué)發(fā)明新硬件，或成量子計(jì)算機(jī)的新對(duì)手

大數(shù)的因子分解是現(xiàn)代非對(duì)稱加密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之一，誰能用算法在較短的時(shí)間內(nèi)破解這個(gè)問題，就將嚴(yán)重威脅現(xiàn)存的加密體系。這也是科學(xué)家們?nèi)绱酥匾暳孔佑?jì)算機(jī)的原因，量子計(jì)算中的Shor算法能夠較快的分解一個(gè)大數(shù)。如今，來自日本東北大學(xué)和美國普渡大學(xué)的科學(xué)家們受到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的啟發(fā)，發(fā)明了一種新的硬件，也能夠?qū)崿F(xiàn)因數(shù)分解，而且這種硬件的制造工藝和使用方法比量子計(jì)算機(jī)更簡單?，F(xiàn)在它只需8bit就能對(duì)945執(zhí)行因數(shù)分解。

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

與量子計(jì)算機(jī)有何不同

下圖展示了普通計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)和隨機(jī)磁電路的區(qū)別：

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

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

隨機(jī)磁電路與現(xiàn)有的磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器原理類似，不過其能壘更低。對(duì)于隨機(jī)磁電路中的位來說，由于0和1之間的能量差距很小，隨機(jī)弛豫力導(dǎo)致納米磁體在兩種狀態(tài)之間隨機(jī)波動(dòng)，研究人員這種比特叫做隨機(jī)比特，簡稱p比特（p-bit）。

不同p比特之間通過磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，調(diào)節(jié)納米磁體的直徑和厚度可以改變其消磁所用的時(shí)間。為了讓磁體之間形成隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模塊，研究人員將隨機(jī)MTJ與NMOS晶體管連接起來，獲得一個(gè)三端p比特。

在論文提到的因數(shù)分解算法中，只需n個(gè)p比特就可以編碼高達(dá)2n+2的整數(shù)，這種關(guān)系比當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)方案需要的比特?cái)?shù)更少。除了在存儲(chǔ)和算法上的優(yōu)勢(shì)外，隨機(jī)磁電路相比量子計(jì)算機(jī)還有兩大優(yōu)點(diǎn)。首先，納米磁鐵芯片可以使用已有的磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）工藝制造，而量子計(jì)算機(jī)則需要高度復(fù)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(jì)算機(jī)需要冷藏才能保持在絕對(duì)溫度1K以下。因?yàn)橐S持低溫，量子計(jì)算機(jī)需要消耗大量能量，計(jì)算機(jī)本身每一瓦的功率，則需要大約一千瓦的制冷功率，這會(huì)增加開發(fā)和操作的難度。

用于質(zhì)因子分解的納米磁芯片方法仍處于起步階段，需要進(jìn)行許多開發(fā)才能將它轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)用的計(jì)算引擎。其中的挑戰(zhàn)有：將數(shù)千個(gè)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(jì)算相比，這些要求能夠更快更容易地實(shí)現(xiàn)，未來許多機(jī)構(gòu)的資金可能會(huì)從量子計(jì)算轉(zhuǎn)向納米磁芯片。隨機(jī)磁電路是對(duì)MRAM技術(shù)進(jìn)行微小的修改就能實(shí)現(xiàn)的，研究人員認(rèn)為，這種技術(shù)未來還可以在優(yōu)化、采樣和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域找到應(yīng)用。