量子退火方法是一种基于伊辛模型的方法。这个模型发明之后,有不少学者和教授进一步对这个模型作了改进和发展,作出了很多贡献 [183, 184] 。虽然伊辛模型已经作为量子计算机的新模式用于量子退火机,但是量子计算机不但需要昂贵的超低温冷却设备,在量子比特的稳定性和扩展方面也存在问题。因此,一些半导体芯片开发厂商想到以量子现象的思想来实现计算机体系结构,做成量子启发的数字退火芯片。
数字退火受一种被称为「叠加」的量子现象启发,其中 0 和 1 两种不同的状态同时出现。通过使用基于该现象的量子比特机制,数字退火的操作速度得到显著提高。数字退火可以基于现今的半导体工艺高速解决组合优化问题。例如,数字退火在 CMOS 数字电路上再现这种量子比特机制,操作速度快,使用非常简单,不需要像传统计算机那样进行编程,可以简单地通过设置参数来执行计算。
近年来日本一些公司采用量子启发的思路,基于伊辛模型,已经用 FPGA 或 ASIC 实现了 CMOS 数字退火芯片。日本日立(Hitachi)在 2016 年就发布了 CMOS 退火芯片;日本国立情报学研究所(National Institute of Informatics,NII)则一直在研发基于光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)的激光网络加 FPGA 的退火解决方案;日本富士通(Fujitsu)成功实现了 DAU 芯片,该芯片成为世界上第一款在常温下工作的商用数字退火芯片,2018 年富士通声称准备在 2020 年批量生产 DAU。这款芯片将被置入服务器里,放在传统机架和服务器机房里都不成问题,因为这些芯片和普通芯片一样可以在常温下工作。
如果使用 CMOS 电路实现伊辛计算,芯片就易于制造、使用和扩展。伊辛计算还可使用随机化方法来防止陷入局部最小值,因此通常会找到问题的全局最小值。
基于 FPGA 的可编程数字退火芯片
由于 FPGA 具有高度灵活性,因此很适合用于那些有不同应用需求的数字退火芯片。电路拓扑和动态范围的要求因应用而异,因此每个应用都需要开发一个合适的架构。下面介绍的是一个基于 FPGA 的可编程数字退火芯片原型。
这个架构的基本思想是使用电子电路模拟伊
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