文章插图
2021年5月8日 ， 中国科学技术大学潘建伟院士团队公布一则重磅消息：他们成功研制出目前国际上超导量子比特数最多的量子计算原型机——“祖冲之号” ， 操纵的超导量子比特达62个 。
从诞生之日起 ， 量子计算机就备受人们关注 。刚刚入选“中国青年五四奖章集体”的“九章”光量子计算原型机研制团队 ， 创造了用时200秒解决世界上最快超级计算机6亿年计算量的纪录 。
量子计算机从哪里来？又要向哪里去？为何人类对计算速度总是孜孜以求？是什么让人们不断推动计算能力的发展？本版将分3期予以探究 ， 今天刊发第一期 。
古老的口诀
两千年前的“原始计算机”
计算机是一个年轻又古老的工具 。说它年轻 ， 是因为我们今天使用的电子计算机在1946年才诞生；说它古老 ， 是因为其蕴含的计算逻辑、计算功能早已为先人所运用 。
美国硅谷 ， 世界上最大的计算机历史博物馆入口处立着一块大展板 ， 上面写着“计算机有2000年的历史” 。当前来游览的人们将目光顺着时光轨迹追溯2000年 ， 不难发现 ， 大洋彼岸 ， 一个叫“汉”的王朝 ， 人们正用一种清脆作响的工具进行计算——这便是我们熟知的“算盘” 。
“一上一、二上二、三下五除二 。”这句朗朗上口的珠算加法口诀 ， 从上千年前流传至今 。这些口诀就如同计算机的程序 ， 有了这些程序 ， 操作算盘的人就不需要再思考运算过程 。“数字－口诀－结果” ， 这样的操作模式也与现在计算机“输入－程序－输出”的计算逻辑相一致 。这正是算盘被看作“原始计算机”的原因 。
可别小看了这一粒粒清脆作响的算珠 。在中国古代 ， 上至朝廷官府的内库总账 ， 下到升斗小民的收支盘点 ， 都是拨打着算珠算出来的 。
在电影《横空出世》中 ， 有这样一个令人难忘的镜头：研究原子弹的关键时刻 ， 偌大礼堂内 ， 上百名科研人员一边对着密密麻麻的数据稿纸 ， 一边拨打着身前的算盘 ， 栗红色算珠奏响了希望的“交响乐” 。
或许 ， 电影存在艺术表现手法 ， 但在大国重器研制过程中 ， 这源于东方古国“三下五除二”的口诀 ， 确实立下了汗马功劳 。
事实上 ， 人类对于计算工具的使用 ， 较之算盘还要久远得多 。老子《道德经》中记载：“善结无绳约而不可解”“善计不用筹策” 。其中所提到的就是人类利用身边物品来进行计算的两种方式——结绳和算筹 。古代印加人的奇普 ， 是一种由许多颜色的绳结编成的、用于计数或记录历史的工具 ， 是迄今为止发现的最早的计算工具 。古代的算筹 ， 实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子 。计算时 ， 使用者将算筹摆成纵式和横式两种数字 ， 按照纵横相间的原则表示任何自然数 ， 通过不断地重新布棍进行加、减、乘、除、开方及其他代数计算 。
值得一提的是 ， 利用算筹 ， 我国南北朝时期的数学家祖冲之 ， 先后计算圆周率 ， 将精确度达到小数点后7位 ， 比西方计算出这一结果早了上千年 。
先驱的探索
从机械到电子
当然 ， 算盘也有其先天弊端：人工拨打难免因疏忽而产生错误 。所以 ， 过去一些会计有时会因两分钱对不上账 ， 要来回拨打一晚上算盘 。而且 ， 面对三角函数、对数等相对复杂的数学运算 ， 算盘也显得无能为力 。
17世纪 ， 随着航海、科学研究和工程计算的兴起 ， 人类计算对象和计算内容日趋复杂 。在这样的背景下 ， 计算尺应运而生 ， 并在其后300年里 ， 成为工程师们的标配 。1968年 ， 被国人称之为“争气桥”的南京长江大桥顺利建成 ， 巨量的大桥结构数据就是工程师们用计算尺“拉”出来的 。
随着科技不断进步 ， 人类不再满足于人工操作计算工具 ， 开始将目光投向自动计算 。1642年 ， 法国数学家帕斯卡通过机械运转实现简单计算功能 ， 帕斯卡计算机也成为人类第一台能进行加减运算的机械计算机 。通过这台计算机 ， 人们发现 ， 机械或可代替人类的某些思维活动 ， 来实现计算与存储功能 。
计算 ， 这项专属于人脑的活动 ， 第一次在机械上得以实现 。在此基础上 ， 德国数学家莱布尼茨于1694年发明了第一台能进行加减乘除运算的机械计算机 。
随后的几百年间 ， 科学家们在机械计算机的道路上一路狂奔 。19世纪 ， 英国数学家巴贝奇设计出的差分机 ， 甚至能准确计算出微积分难题 。但遗憾的是 ， 一个“拦路虎”出现了——工艺 。
1823年 ， 英国政府出资让巴贝奇制造差分机 。根据设计蓝图 ， 制造这台机器需要25000个零件 ， 其中仅齿轮数就达上万个 。以当时的工艺水平来看 ， 这根本无法制造 。
科学有时就像撒满种子的花园 ， 也许会有嫩芽毁于风雨 ， 但总有花朵悄然绽放 。当机械计算机遭遇“瓶颈”后 ， 电子计算机悄然兴起 。
1946年 ， 世界上第一台通用电子计算机ENIAC应运而生 。这台重达30吨的庞然大物 ， 第一次将电子元器件作为计算单元 。以今天的眼光来看 ， 这个“大胖子”显得尤为笨拙和臃肿 ， 但它比当时最快的机电式计算机快了1000倍 。到退役为止 ， ENIAC共运算8万多小时 ， 为氢弹研制、天气预测、风洞开发等做出了卓越贡献 。
科学家常常将1946年称为人类文明的一个重要分水岭 。这不仅仅是因为计算机实现了从机械到电子的飞跃 ， 更是因为从此以后 ， 人类进入一个崭新的信息革命时代 。
科技的怒放
人类进入信息时代
这是一个科技怒放的年代 ， 也是一个充满传奇的时代 。
在ENIAC诞生之后不到100年 ， 一台又一台大型机如争相怒放的百花般问世：人类研发了第一台实时电子计算机“旋风”计算机、第一台商用“PDP-1”计算机、第一种投入大量生产的“IBM650”计算机……
这一切 ， 都发生在极短时间内 。就像摩尔定律中所提到的那样 ， 每经过18个月左右 ， 计算机处理器的性能就会比之前提高一倍 。摩尔定律就如同信息时代的驱动力 ， 在其后几十年里 ， 计算机从装满屋子的庞然大物 ， 逐步进化为仅有沙粒一般大小的纳米计算机；计算速度从每秒几百次提升到每秒几万亿次；从神秘的科研专属 ， 变成人们工作生活中不可或缺的普通工具……
现今 ， 电子计算机已进入人工智能时代 。人工智能机的特点是 ， 具有分布式联想记忆 ， 并可在一定程度上模拟人和动物的学习功能 。
2017年5月 ， 智能机器人AlphaGo以3∶0成功击败作为当时世界围棋第一人的柯洁 。在强大计算能力加持下 ， 这个被人类造出的工具 ， 在围棋方面已然超越人类 。
这不由让人想起英国科学家图灵留给后来人的那个问题：机器会思考么？或许图灵没有想过 ， 这个问题竟成为他留在计算机发展史的一个“彩蛋” ， 并且在他提出这一问题不到50年时间里就被人类所回答 。
随着科技的发展 ， 人类比以往任何时候都站得更高、望得更远 。当我们低头望向所处的文明阶梯 ， 不难发现 ， 其中一个重要组成部分 ， 就是计算工具 。
这些计算工具因计算产生 ， 在人类文明史上发挥了巨大作用：算盘拨出农耕文明的繁盛 ， 机械计算机勾勒出第一次工业革命的袅袅蒸汽 ， 而电子计算机以及所衍生的信息技术 ， 让人类真切感受到万物互联……
此时此刻 ， 我们应当感谢托起这座阶梯的一个个名字：汉朝的无名氏 ， 用清脆的拨弄算珠的声音 ， 写下人类最古老的计算机程序；美国的冯·诺依曼 ， 在0和1的转换之间 ， 勾勒出现代计算机的基本工作原理；英国的图灵 ， 用“图灵机”设想奠定了计算机发展的理论基石；“信息论之父”香农 ， 用一个公式描绘出信息技术革命的无限愿景……
或许 ， 他们不曾想象自己的智慧会对后来文明产生怎样影响 ， 就如同有些事物 ， 我们不必追求它们开出美丽花朵 ， 因为 ， 它们本就是根 。
版式设计：梁 晨
【一座阶梯：计算工具千年历程】图①：算盘；图②：算筹；图③：计算尺；图④：帕斯卡计算机；图⑤：巴贝奇差分机；图⑥：ENIAC原型机 。
推荐阅读
- 地球年龄怎么算出来的，地球的年龄有哪些计算方法呢
- 如何计算销售回款率
- 受胎之月怎么算准确，预产期怎么算才最准确 预产期计算方法
- 教你8种企业估值最简单的方法 公司估值如何计算方法
- 为什么要计算净现值
- 南京一座城市承载着它的历史 南京这座城市的名字由何而来的
- 微信运动是怎么计算步数的
- 如何计算经营性现金流，营业现金净流量计算公式
- 斜坡屋顶面积怎么算 按照什么计算规范
- 抖音年龄计算器怎么弄