淺談計算機發(fā)展的論文(2)
淺談計算機發(fā)展的論文
淺談計算機發(fā)展的論文篇二
《計算機發(fā)展的思考》
[摘要]：通過對計算機的發(fā)展歷史和人類對計算本質認識的回顧，提出量子計算系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，并且提出了人類認識未知世界的規(guī)律。
[關鍵詞]：計算科學 計算工 具圖靈模型 量子計算
中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8809(2010)-09-0004-01
1、“摩爾定律”與“計算的極限”
人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升?傳統(tǒng)計算機計算能力的提高有沒有極限?對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果――造成熵的降低，這種向低熵方向無限發(fā)展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統(tǒng)電子計算機的計算能力必有上限。
而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度(1納米=10-9米)，此時。導線內運動的電子將不再遵循經典物理規(guī)律――牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規(guī)律表現(xiàn)出奇特的“電子亂竄”的現(xiàn)象，從而導致芯片無法正常工作;同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸(約5納米)后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現(xiàn)出奇特的反常效應。
哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發(fā)展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜(EdwardO.Wilson)指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想(形而上學)。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想一發(fā)現(xiàn)―解釋―夢想”的不斷循環(huán)，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯(lián)系和有意義的。
2、量子計算系統(tǒng)
量子計算最初思想的提出可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP0Feynman曾試圖用傳統(tǒng)的電子計算機模擬量子力學對象的行為。他遇到一個問題：量子力學系統(tǒng)的行為通常是難以理解同時也是難以求解的。以光的干涉現(xiàn)象為例，在干涉過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能發(fā)生的情況就會多出―倍，也就是問題的規(guī)模呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需的計算量實在太大了，不過。在費曼眼里，這卻恰恰提供一個契機。因為另一方面，量子力學系統(tǒng)的行為也具有良好的可預測性：在干涉實驗中，只要給定初始條件，就可以推測出屏幕上影子的形狀。費曼推斷認為如果算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象需要大量的計算，那么搭建這樣一個實驗，測量其結果，就恰好相當于完成了一個復雜的計算。因此，只要在計算機運行的過程中，允許它在真實的量子力學對象上完成實驗，并把實驗結果整合到計算中去，就可以獲得遠遠超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。
在費曼設想的啟發(fā)下，1985年英國牛津大學教授多伊奇DavidDeutsch提出是否可以用物理學定律推導出一種超越傳統(tǒng)的計算概念的方法即推導出更強的丘奇一圖靈論題。費曼指出使用量子計算機時，不需要考慮計算是如何實現(xiàn)的，即把計算看作由“神諭”來實現(xiàn)的：這類計算在量子計算中被稱為“神諭”(Oracle)。種種跡象表明：量子計算在一些特定的計算領域內確實比傳統(tǒng)計算更強，例如，現(xiàn)代信息安全技術的安全性在很大程度上依賴于把一個大整數(shù)(如1024位的十進制數(shù))分解為兩個質數(shù)的乘積的難度。這個問題是一個典型的“困難問題”，困難的原因是目前在傳統(tǒng)電子計算機上還沒有找到一種有效的辦法將這種計算快速地進行。目前，就是將全世界的所有大大小小的電子計算機全部利用起來來計算上面的這個1024位整數(shù)的質因子分解問題，大約需要28萬年，這已經遠遠超過了人類所能夠等待的時間。而且，分解的難度隨著整數(shù)位數(shù)的增多指數(shù)級增大，也就是說如果要分解2046位的整數(shù)，所需要的時間已經遠遠超過宇宙現(xiàn)有的年齡。而利用一臺量子計算機，我們只需要大約40分鐘的時間就可以分解1024位的整數(shù)了。
3、量子計算中的神諭
人類的計算工具，從木棍、石頭到算盤，經過電子管計算機，晶體管計算機，到現(xiàn)在的電子計算機，再到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)這其中的過程讓人思考：首先是人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以幫助人們進行計算，隨后，人們發(fā)明了算盤，來幫助人們進行計算。當人們發(fā)現(xiàn)不僅人手可以搬動“算珠”。機器也可以用來搬動“算珠”，而且效率更高，速度更快。隨后，人們用繼電器替代了純機械，最后人們用電子代替了繼電器。就在人們改進計算工具的同時，數(shù)學家們開始對計算的本質展開了研究，圖靈機模型告訴了人們答案。
量子計算的出現(xiàn)，則徹底打破了這種認識與創(chuàng)新規(guī)律。它建立在對量子力學實驗的在現(xiàn)實世界的不可計算性。試圖利用一個實驗來代替一系列復雜的大量運算?？梢哉f，這是一種革命性的思考與解決問題的方式。
因為在此之前，所有計算均是模擬一個快速的“算盤”，即使是最先進的電子計算機的CPU內部。64位的寄存器(register)，也是等價于一個有著64根軸的二進制算盤。量子計算則完全不同，對于量子計算的核心部件，類似于古代希臘中的“神諭”，沒有人弄清楚神諭內部的機理，卻對“神諭”內部產生的結果深信不疑。人們可以把它當作一個黑盒子，人們通過輸入，可以得到輸出，但是對于黑盒子內部發(fā)生了什么和為什么這樣發(fā)生確并不知道。
4、“神諭”的挑戰(zhàn)與人類自身的回應人類的
思考能力，隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網的出現(xiàn)，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統(tǒng)的產生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質，把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史，會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經構成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規(guī)律：
“計算工具不斷發(fā)展一整體思維能力的不斷增強―公理系統(tǒng)的不斷擴大一舊的神諭被解決一新的神諭不斷產生”不斷循環(huán)。
無論量子計算的本質是否被發(fā)現(xiàn)，也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學本身的一次新的革命，也許許多困擾人類的問題，將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決，它將“計算科學”從牛頓時代引向量子時代，并會給人類文明帶來更加深刻的影響。思考能力，隨著計算工具的不斷進化而不斷加強。電子計算機和互聯(lián)網的出現(xiàn)，大大加強了人類整體的科研能力，那么，量子計算系統(tǒng)的產生，會給人類整體帶來更加強大的科研能力和思考能力，并最終解決困擾當今時代的量子“神諭”。不僅如此，量子計算系統(tǒng)會更加深刻的揭示計算的本質，把人類對計算本質的認識從牛頓世界中擴充到量子世界中。
如果觀察歷史，會發(fā)現(xiàn)人類文明不斷增多的“發(fā)現(xiàn)”已經構成了我們理解世界的“公理”，人們的公理系統(tǒng)在不斷的增大，隨著該系統(tǒng)的不斷增大，人們認清并解決了許多問題。人類的認識模式似乎符合下面的規(guī)律：
“計算工具不斷發(fā)展一整體思維能力的不斷增強―公理系統(tǒng)的不斷擴大一舊的神諭被解決一新的神諭不斷產生”不斷循環(huán)。
無論量子計算的本質是否被發(fā)現(xiàn)，也不會妨礙量子計算時代的到來。量子計算是計算科學本身的一次新的革命，也許許多困擾人類的問題，將會隨著量子計算機工具的發(fā)展而得到解決，它將“計算科學”從牛頓時代引向量子時代，并會給人類文明帶來更加深刻的影響。
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