【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在復雜系統(tǒng)中尋找最優(yōu)方案一直是科學與工程領域里的挑戰(zhàn)難題之一。以旅行商問題為代表的組合優(yōu)化任務廣泛出現(xiàn)在物流運輸、網(wǎng)絡設計及人工智能等領域。然而，隨著問題規(guī)模增大，經(jīng)典確定性算法往往難以兼顧效率與質量，而引入隨機性的啟發(fā)式方法又受到隨機數(shù)質量與可調控性的限制。如何在硬件層面獲得高質量、可配置的隨機性，并將其有效嵌入求解過程，是該類問題長期面臨的關鍵科學問題。
 

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心科研人員基于磁性隧道結的物理隨機性，提出了一種面向組合優(yōu)化任務的概率貪心求解框架，實現(xiàn)了在硬件層面上的可調分布真隨機數(shù)驅動下對旅行商問題的高效優(yōu)化求解。磁性隧道結在外加脈沖自旋極化電流作用下其自由層磁矩呈現(xiàn)固有的180度隨機翻轉行為，其翻轉概率通過脈沖電壓幅值或寬度等參數(shù)可連續(xù)精確調控。利用這一特性構建可配置概率分布的真隨機數(shù)發(fā)生器，并將其嵌入優(yōu)化算法中，使得算法基于當前系統(tǒng)狀態(tài)對下一步選擇的概率分布能夠實時更新與重構，從而在“局部選擇”與“全局探索”間實現(xiàn)動態(tài)平衡。
 

　　在實驗層面，該項研究利用多個磁性隧道結器件演示生成滿足高斯、均勻、指數(shù)以及用戶自定義概率分布的真隨機數(shù)，并系統(tǒng)驗證了其統(tǒng)計特性、可重復性以及分布可調性。進一步，這些可調分布真隨機數(shù)被用于驅動概率貪心算法對旅行商問題進行硬件求解。在求解經(jīng)典的Burma14基準問題中，該方法獲得的路徑長度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)貪心算法，并可通過調節(jié)等效溫度參數(shù)快速實現(xiàn)最優(yōu)解附近的高概率采樣。值得注意的是，該方法僅需數(shù)量隨對數(shù)增長(log?N, N為城市數(shù))的磁性隧道結器件即可完成對任意目標概率分布的編碼，配合脈沖電壓寬度調制與自校準機制，可在無需高精度模擬電路支持的條件下保持輸出概率的長期穩(wěn)定性。這一特性使其具備面向大規(guī)模片上優(yōu)化加速器應用的潛在優(yōu)勢。此外，該方法逐步采樣并動態(tài)更新概率分布的過程，與大型語言模型在內容生成過程中逐個詞元(Token)采樣的機制高度相似，展現(xiàn)了面向未來人工智能推理的硬件級隨機性加速方案的可行性。
 

　　基于磁性隧道結的可配置概率分布的真隨機源為求解組合優(yōu)化問題提供了新的物理實現(xiàn)路徑，有望推動面向低功耗、高效率的概率計算硬件的發(fā)展。該工作也為基于物理隨機性的求解框架提供了新思路，為未來自旋電子學器件在智能計算中的應用開辟了可行路徑。該項研究成果以“Probabilistic Greedy Algorithm Solver Using Magnetic Tunneling Junctions for Traveling Salesman Problem”為題發(fā)表在Nature Communications期刊(https://doi.org/10.1038/s41467-025-66864-9)，中國科學院物理研究所M02組博士畢業(yè)生張然為第一作者，中國科學院物理研究所韓秀峰研究員、萬蔡華副研究員和德國弗勞恩霍夫協(xié)會的Thomas Kämpfe教授為共同通訊作者，該項研究得到了國家重點研發(fā)項目(MOST)、國家自然科學基金(NSFC)和中國科學院國際交流計劃(PIFI)的資助。
 

　　圖：基于磁性隧道結的概率分布可調真隨機數(shù)發(fā)生器及概率貪心算法求解器示意圖。(a) 器件結構與測量系統(tǒng)的示意圖。(b) 由脈沖電流觸發(fā)自由層磁矩翻轉所表現(xiàn)出的磁性隧道結隧穿磁電阻(TMR)高低變化行為。(c) 磁性隧道結的磁矩翻轉概率隨寫入電壓變化的關系曲線，黑色實線為擬合得到的S形函數(shù)。(d) 由磁性隧道結真隨機數(shù)發(fā)生器生成并呈現(xiàn)高斯分布的隨機數(shù)。(e) 不同溫度kBT取值(1至400)下獲得的最優(yōu)解散點圖(左)以及在最優(yōu)解附近0、50和100千米內的解空間密度分布圖(右)。每個密度圖基于概率貪心算法的100次獨立求解結果。(f) 在四組kBT取值下最優(yōu)路徑長度隨迭代次數(shù)的變化關系。當kBT = 60時可在約1000次迭代內獲得最優(yōu)解。