对计算科学与计算机发展的思考

摘　要：文从什么是计算说起，通过对计算机的发展历史和人类对计算本质认识的回顾，提出量子计算系统的发展和成熟，并且提出了人类认识未知世界的规律：“计算工具不断发展一整体思维能力的不断增强——公理系统的不断扩大——旧的神谕被解决——新的神谕不断产生”不断循环。

关键词：计算科学；计算；图灵模型；量子计算
　　1. 计算的本质
　　抽象地说，所谓计算，就是从一个符号串f变换成另一个符号串g 。比如说，从符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f是x2，而符号串g是2x，从f到g的计算就是微分。定理证明也是如此，令f表示一组公理和推导规则，令g是一个定理，那么从f到g的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看，文字翻译也是计算，如f代表一个英文句子，而g为含义相同的中文句子，那么从f到g就是把英文翻译成中文。他们都是已知符号（串）开始，一步一步地改变符号（串），经过有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号(串)的变换过程。从类型上讲，计算主要有两大类：数值计算和符号推导。数值计算包括实数和函数的加减乘除、幂运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函数的恒等式、不等式的证明，几何命题的证明等。
　　2. 远古的计算工具
　　人们从开始产生计算之日，便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此，计算和计算工具是息息相关的。
　　早在公元前5世纪，中国人已开始用算筹作为计算工具，并在公元前3世纪得到普遍的采用，一直沿用了二千年。后来，人们发明了算盘，并在15世纪得到普遍采用，取代了算筹。它是在算筹基础上发明的，比算筹更加方便实用，同时还把算法口诀化，从而加快了计算速度。
　　3. 近代计算系统
　　近代的科学发展促进了计算工具的发展：在1614年，对数被发明以后，乘除运算可以化为加减运算，对数计算尺便是依据这一特点来设计。1620年，冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1850年，曼南在计算尺上装上光标，因此而受到当时科学工作者，特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的，是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642年发明了帕斯卡加法器。在1671年，莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器，是长1米的大盒子。自此以后，经过人们在这方面多年的研究，特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后，出现了多种多样的手摇计算器，并风行全世界。
　　4. 电动计算机
　　英国的巴贝奇于1834年，设计了一部完全程序控制的分析机，可惜碍于当时的机械技术限制而没有制成，但已包含了现代计算的基本思想和主要组成部分了。此后，由于电力技术有了很大的发展，电动式计算器便慢慢取代以人工为动力的计算器。1941年，德国的楚泽采用了继电器，制成了第一部过程控制计算器，实现了100多年前巴贝奇的理想。
　　5. 电子计算机
　　20世纪初，电子管的出现，使计算器的改革有了新的发展，美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1046年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展，使人类进入了一个全新的时代。它是20世纪最伟大的发明之一，也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。
　　在电子计算机和信息技术高速发展过程中，因特尔公司的创始人之一戈登·摩尔（GodonMoore）对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言：半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明，自20世纪60年代以后的数十年内，芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番，而价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。
　　6. “摩尔定律”与“计算的极限”
　　人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统电子计算机的计算能力必然是有上限的。而以IBM研究中心朗道(R. Landauer) 为代表的理论科学家认为到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度，此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律——牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作；同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米) 后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。
　　7. 量子计算系统
　　量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼n 曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。费曼推断认为如果算出干涉实验中发生的现象需要大量的计算，那么搭建这样一个实验，测量其结果，就恰好相当于完成了一个复杂的计算。因此，只要在计算机运行的过程中，允许它在真实的量子力学对象上完成实验，并把实验结果整合到计算中去，就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。
　　在费曼设想的启发下，1985年英国牛津大学教授多伊奇David Deutsch 提出是否可以用物理学定律推导出一种超越传统的计算概念的方法即推导出更强的丘奇——图灵论题。费曼指出使用量子计算机时，不需要考虑计算是如何实现的，即把计算看作由“神谕”来实现的：这类计算在量子计算中被称为“神谕”（Oracle）。有种种迹象表明：量子计算至少在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强，
　　8. “神谕”的 与人类自身的回应人类的思考能力，随着计算工具的不断进化而不断加强。
　　电子计算机和互联网的出现, 大大加强了人类整体的科研能力,那么, 量子计算系统的产生, 会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力, 并最终解决困扰当今时代的量子“神谕”。不仅如此, 量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质, 把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。
　　如果观察历史, 会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“ 公理”, 人们的公理系统在不断的增大, 随着该系统的不断增大, 人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:“ 计算工具不断发展— 整体思维能力的不断增强—公理系统的不断扩大—旧的神谕被解决—新的神谕不断产生”不断循环。无论量子计算的本质是否被发现, 也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算科学本身的一次 新的革命, 也许许多困扰人类的问题, 将会随着量子计算机工具的发展而得到解决, 它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代, 并会给人类文明带来更加深刻的影响。
参考文献：
.Defense Advanced Research ProjectsAgency DARPA,2004,4. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/241312.html