计算机科学
计算机科学范文第1篇
摘要：理论研究科学既有深厚的科学意义，又具备丰富的应用功能，是最基本的计算机科学的组成部分，在国际上一直很受重视，但在国内却是大家不太了解的领域。本文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-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 计算机科研 计算工具
理论研究科学既有深厚的科学意义，又具备丰富的应用功能，是最基本的计算机科学的组成部分，在国际上一直很受重视，但在国内却是大家不太了解的领域。
据了解，从1998年成立至今，微软亚洲研究院已经确立了五大研究方向，涵盖多媒体、数字娱乐、用户界面、无线及网络技术和互联网搜索与挖掘等领域。本次成立的理论研究组将与原有的五个研究组平行运作，为他们提供理论方面的支持，帮助他们进一步拓展研究的深度和广度。
首先，先谈谈关于计算科学与计算机发展。
第一，计算的本质以及远古的计算工具。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为含意相同的中文句子, 那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号(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。随着数学的不断发展, 还可能出现新的计算类型。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。同时还把算法口诀化,从而加快了计算速度。
第二，近代计算系统与电动计算机和电子计算机。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。
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1946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。
第三，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?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题,学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高,最终地球上所有的能量将转换为计算的结果――造成熵的降低,这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的, 因此, 传统电子计算机的计算能力必有上限。
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(1纳米=10-9米), 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。所有的美妙都是彼此联系和有意义的
第四，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RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中,相互作用的光子每增加一个,有可能发生的情况就会多出一倍,也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了,不过,在费曼眼里,这却恰恰提供一个契机。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。
量子计算的出现,则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。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。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。
再次，关于理论计算机科学研究提速
据了解，从1998年成立至今，微软亚洲研究院已经确立了五大研究方向，涵盖多媒体、数字娱乐、用户界面、无线及网络技术和互联网搜索与挖掘等领域。本次成立的理论研究组将与原有的五个研究组平行运作，为他们提供理论方面的支持，帮助他们进一步拓展研究的深度和广度。
第一，理论研究科学深厚的科学意义和具备丰富的应用功能。理论研究科学既有深厚的科学意义，又具备丰富的应用功能，是最基本的计算机科学的组成部分，在国际上一直很受重视，但在国内却是大家不太了解的领域。直到2004年,计算机理论学界大师姚期智从任教多年的普林斯顿大学回归清华大学时，才算刚刚起步。
微软亚洲研究院院长沈向洋认为，理论研究组的意义在于，从科研角度来讲，理论相当于底层的基础支撑，丰富的、有深度的、坚实的理论资源将使基础研发走得更快更远。他表示，对于微软亚洲研究院来说，促进地区整体科研实力的提高是其使命之一。理论研究组的成立，除了为研究院其他组的研究以及微软产品的研发做好坚实的理论储备，进一步促进研究院的发展和创新外，还希望能和清华大学等科研院所一道促进理论计算机科学在中国的研究与发展。
第二，理论计算机科学研究的机会与挑战。理论计算机科学怎样才能够做出一些突破性的研究，让中国信息科学的研究更上一层楼，姚期智院士举了两个例子：
其一点，有些问题是效率问题，譬如互联网的搜索就能得益于理论计算机科学的发展。互联网是一个很大的图形，在这个图形里面所做的事情，基本上是理论计算机科学里面所包含的问题，如果能在算法上进行改进的话，就能在科学、时间、商业上取得非常大的效果，从而发挥强大的效益。
另一点，有些问题，不单是效率问题，而是能不能够做到的问题。譬如安全，在过去30年的研究里，大家公认的在信息安全、网络安全方面，没有一个好的理论框架和基础，不可能做到绝对安全，完全避免黑客的攻击。因此，必须在理论发展的基础上去保证各种信息的安全。
未来可能会从两个方面解决摩尔定律的极限问题：一方面是计算机的硬件，譬如说量子计算机；另一方面是计算机的软件。
综上所述，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。如果我们用最好的方法，写的软件程序能够比现在更有效率的话，计算能力本身就会帮我们做许多现在无法做到的事情。
参考文献：
[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputation and Quantum Information[M].Cambridge University Press.
计算机科学范文第2篇
【关键词】计算机；科学技术；计算机教育；具体应用；分析概述
随着互联网、计算机科学技术的到来，在此背景之下，人们在日常的生活当中也是越来越离不开计算机的使用，而对于我国教育的领域来说更是如此，计算机科学技术在整个计算机教育当中，是占据着非常重要的地位的。而在我国之前的教育当中，也由传统的教学方式逐渐的转变为计算机教育方式，这种有效的替代，在很大程度上提高了我国整体的教育效率水平。而计算机科学技术在整个计算机教育当中具体有着哪些作用，下文将对计算机科学技术在我国计算机教育当中的实际应用进行阐述。
1有效的帮助相关的教师来进行日常的教学管理
计算机，在我国各个学校的日常实际应用当中，主要是体现着简洁、高校等特点。并且，在实际运用到教师以及学校的日常管理过程当中，对于在校的众多学生在学习的过程当中，所出现的一些琐碎问题，而利用我国传统的教学管理方式，是以及远远不满足于现在时代所对其提出的要求，传统的教学处管理方式，不仅存在着效率低下的问题，并且，还不能够很好的对在校学生的一些日常生活以及学习过程进行很好的监控以及了解。而有效的利用计算机科学技术，就能够在很大程度上弥补原来传统教学管理方式上的一些漏洞。例如：学校学生在平时的作业上，通常来讲，都是由老师先布置之后，学生在根据布置的内容进行完成，最后在由课代表或是相关的人员统一收上之后，在交给教师来进行批阅，而在教师批阅之后在发放回去。而合理的使用计算机去管理学生日常作业的过程当中，就可以很好的省掉一些繁琐的环节，教师可以直接在网络通知平台上布置学生的作业，很好的免去了学生以及老师在布置作业上的环节，并且，也在一定程度上降低了交作业以及发作业当中的浪费的时间精力。
2很好的方便了学生日常的学习
而很好的方便了学生日常的学习，其主要是因为，计算机网络自身不受到来自时间、空间等方面限制的特点，并且计算机网络自身还具有非常良好的快速查阅、上传等一些特点，这些特点都在很大程度上满足以及方便了各个学生对于学习的各种要求。与此同时，合理有效的利用好计算机等相关科学技术的搜索功能，就能够帮助学生在第一时间内找到自己需要的资料信息，此外，对于网络上庞大丰富资源，也能够很好的培养学生举一反三的能力，使得学生在学习的过程当中，自然而然会提高学习的兴趣，而在学习兴趣的趋势下，就能够在很大程度上培养学生的自主学习型。此外，还由于每个学生在学习的过程当中，接受知识的能力上是有着差异化的，所以，在利用计算机科学技术就可以很好的打破之间的差异化的，使其灵活的调整整个教学实践，教师还可以将与本堂课与之相关的视频发送给学生观看，这样就能够在很大程度上提高学生对于内容的掌握能力。
3有效的丰富教学的资源，同时还能够
节约教育的资金成本在合理的利用计算机科学技术来讲进行教育的过程当中，不仅仅能够很好的丰富广大教师自身的教学方式，还能够让学生在学习的过程当中，看到文字、图片、以及视频，这样在很大程度上增强了整个教学的趣味性，还能够在一定程度上帮助学生对于课堂知识的掌握。与此同时，计算机在拥有非常庞大的资源时，自身还具有节约资源的这一良好特点。如果，在我们把原来的教科书，逐渐的变为电子稿的形式，并且将学生在日常考试的当中所用到的一些笔试换成为机考，这些不仅能够节省掉大量的纸张资源，而且，也能在一定程度上节约因为这些资源所投入的人、物、资金等方面的开销。而从学生学习的内容上来将，在有效的降低整个资本成本的同时，不仅没有减少原来的一些学习内容，反而是将基于原来教学内容上在使得变的丰富多样。并且，由于计算机本身就是作为一种工具来进行使用，所以它还具有随地随时使用的能力，而当学生在进行朗读以及背诵的过程当中，就可以很好的通过计算机来进行资源的搜索，而不光是对于音频上还是对于相关的视频上甚至一些动漫上，都是能够很好的帮助广大学生对于课堂知识的理解，并且也在一定程度上将原本枯燥、乏味、单一的朗诵课堂变得更加具有乐趣性。
4结论
只有真正的加强对于计算机科学技术在我国计算机教育当中的具体运用，就能够很好的推动我国整体教育的发展进步。
参考文献
[1]邹永利,冯静娴,郑荟.学术文献的文体特征及其检索意义——计算机科学文献与相关新闻报道文体的比较研究[J].中国图书馆学报,2014(02):33-40.
[2]陆枫,金海.计算机本科专业教学改革趋势及其启示——兼谈华中科技大学计算机科学与技术学院的教改经验[J].高等工程教育研究,2014(05):180-186.
计算机科学范文第3篇
随着SNS网站的持续推广与应用，虽然部分主流SNS网站已拥有固定的、占有市场比较大份额的用户群，但随着用户体验的不断丰富，用户的需求更加理性化和个性化，需要SNS网站能为其提供更为细致的和更加具有针对性的服务，针对细分群体构建SNS平台的运营理念和方式。目前主流SNS网站在某一群体中已经拥有较大的市场占有率和品牌影响力，新进入者处于竞争弱势地位，面临很高的门槛。因此，如何深入挖掘用户需求，对用户群进行细分，为用户实现服务定制，构建和优化SNS平台的运营理念和方式成为SNS网站可持续发展所亟需考虑和探索的问题。目前大部分SNS网站都解决了“交朋友”的问题，即实现了“马斯洛需求理论”中的第三层“社交需求”；但结交朋友之后去“干什么”，即用户在社交关系建立后需要去实现一个什么样的目的，如何达到更高层次的“自我实现”的需求。因此，如何不断拓展SNS网站的业务范围、服务种类，如何有效结合更具有实用价值的网络应用是SNS网站发展走向务实并不断提升用户的聚合性和持久性所需要努力尝试和摸索的领域。SNS网站的注册使用制以及非朋友之间的信息屏蔽制度往往不利于用户创造的有用信息广泛传播，导致用户创造的内容传播不够及时畅通，仅限于朋友之间和平台内部。传播范围的有限使得众多有用的信息不能及时地影响到更广泛的用户，不利于网站营销的展开和用户口碑的形成。如何构建开放式平台，有效促进平台内部用户之间和平台之间信息的流动及资源的整合、确保平台中用户交互信息的畅通性、可靠性等是SNS网站信息平台拓展与开发需要研究的重要技术。个性化和娱乐化的插件应用提高了SNS网站用户的黏性；同时，允许第三方软件开发者为各个SNS网站开发通用软件程序也降低了SNS网站网络应用的开发成本，有利于资源的整合，促进了用户信息在各个平台间的流通传递，扩大了信息传播范围。如何在遵循SNS网站用户群定位的同时开发或植入具有应用价值的插件是SNS网站可持续发展目标中亟待解决的问题。对于以大学生为主要用户群体的SNS网站来说，高校大学生的直接用户体验和需求推动其更具有实用价值的应用的研究与开发；而对SNS网站的生存现状、发展趋势以及竞争力提升所需要的技术和能力进行系统地学习和培养，对于高校大学生，特别是对计算机知识学习相对盲目的文科学生来说，掌握社会化网络软件的技术知识和应用开发，对其计算机理论的丰富和信息素养的提升有着重要意义。
二、结合SNS平台发展需求完善文科计算机教学内容体系
文科计算机教学具有知识性、技能性与应用性相结合的特点。它立足于实践，在实践过程中学习知识，在学习知识中实践与体验。文科计算机课程建设与教学改革本身也将对文科其他学科课程的建设与改革起着积极的推动和促进作用。目前，高校文科大学生的计算机教学仍然停留在理论基础知识的零散式教学，教学实践内容单一、孤立。大部分学生对计算机知识的学习更多的是出于应对与学位挂钩的计算机等级考试或计算机认证的需求。各个高校在文科计算机教学工作中都努力尝试寻求一个合适的教学出发点或驱动学生知识学习的动机，寻找既能比较全面的涵盖高校文科计算机教学内容又能结合学生兴趣、实现“以用促学，学以致用”的教学模式。南京信息工程大学计算机与软件学院长期承担学校文科大学生的计算机类基础课程教学，教授课程覆盖计算机基础知识（计算机基础）、编程基础（C语言程序设计）、数据库基础（VFP程序设计）和电子商务等。学院成立了相应的公共基础课程组，并请有多年计算机教学经验的高级职称教师担任课程负责人，学大纲、学要求、学进度、统一命题、统一批卷，保证文科大学生计算机基础教学质量。但在教学过程中，我们发现文科大学生的计算机知识学习还是存在很多问题，如基础知识缺乏、学习积极性不足、将所学知识与实际应用相结合的意识薄弱、学习方法不合理等。针对SNS网站发展趋势良好、开发需求旺盛，计算机与软件学院尝试构建基于社会化网络软件模块开发与应用的文科大学生计算机教学知识体系和课程设置，以实际应用需求驱动计算机知识的教与学。计算机教学课程组对本校文科大学生的计算机教学内容和知识体系进行梳理、筛选和调整，以SNS网站开发和应用的平台功能和服务模式等为依托，探索计算机类教学知识模块划分，如网络媒体开发、网游设计与开发、电子商务、插件开发与应用等，健全知识体系构建，优化教学课程设置。任课教师在对SNS网站技术构架进行了整体介绍和展示的前提下，鼓励学生自主摸索和研究现有SNS网站（如人人网、豆瓣网、开心网等）的网站结构、主要应用平台（个人展示平台、交流相识平台、协作合作平台）的功能应用、服务提供模式、技术应用和盈利模式等；指导学生以研发团队的形式用所学知识尝试模拟设计并开发实现小型的SNS网站、拓展SNS网站平台功能、探索插件应用设计与开发、研发移动社交软件等，从而激发文科大学生对计算机知识的学习兴趣和动力，使文科大学生了解信息技术应用对社会关系发展的巨大贡献，了解信息技术与人文社科等的相互渗透和交叉融合，理解计算机的思维方式，掌握利用计算工具解决专业领域问题的能力。
三、结语
计算机科学范文第4篇
预科生大部分都是已成年人，与一般的学生不一样，预科生都具有一定的自我约束性和自我控制力，并且对知识具有一定的欲望性，且会通过自己的行动主动寻找学习知识的机会。作为预科生计算机教学的教师，应该明确学生主体对象的不同特点，转变教学观念和教学方法。笔者结合自身多年工作经验，总结出在计算机教学中，针对预科生学生，教师应该做好以下几点工作，才能确保教学效果。
1.1以学生为主体，提高学习的积极性
预科生具有自我约束力的同时，也具有自我选择的能力，他们会讨厌传统的教学模式。如果教师还是采取传统的教学模式，一味地在课堂上讲，忽视学生主体的互动，那么，将无法达到理想的教学效果。因此，在计算机教学中，教师首先应该从学生角度出发，帮助学生树立正确的学习观，并且调动学生的学习积极性，让学生用热情对待计算机课堂。计算机是一门注重实践的课程，在教学中，教师要让学生主动参与到课堂实践活动中，这样能让学生产生兴趣，能更好地开展后期教学活动。其次，教师还应该在实践中培养学生的实践能力和操作能力。在新的学习环境下，让学生能主动思考和分析问题，并且能寻找解决问题的方法。而不是采用中学阶段的教学方式，教师应该坚持将理论与实践相结合，从理论层面到技术层面，采用渗透教学方法。所谓渗透教学就是要利用实践活动全面调动学生的积极性，兴趣是最好的教师，例如在MSExcel和MSPowerPoint等课程教学中，应该先根据实例吸引学生的注意力，然后布置作业，让学生在最短时间内能对课堂产生兴趣。
1.2注重教学总结
作为一名预科生教师，自身不仅要具备良好的业务能力和工作水平，同时还应该具有自身独特的教学风格，想要达到理想的教学效果，能赢得学生的赞扬，就必须要重视课堂的总结和反思。教学总结和反思是提高教学水平的一个重要途径，在日常教学中，教师要精心设计每一堂课，但是要更加懂得总结课堂问题，然后针对问题寻找最佳的教学方法，从而不断解决问题。例如，传统的教学方法是先理论后实践，但是在计算机教学中，可以采用先实践，然后知道，最后再用理论知识总结，这样学生能针对实践中存在的问题，寻找应该掌握得重点知识，从而能达到理想的教学效果。
2结语
计算机科学范文第5篇
关键词:计算科学计算工具图灵模型量子计算
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为含意相同的中文句子,那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点？为什么把它们都叫做计算？因为它们都是从己知符号(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。但无论是数值计算还是符号推导,它们在本质上是等价的、一致的,即二者是密切关联的,可以相互转化,具有共同的计算本质。随着数学的不断发展,还可能出现新的计算类型。
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的组成部分了。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1946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?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题,学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高,最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低,这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的,因此,传统电子计算机的计算能力必有上限。
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(1纳米=10-9米),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。著名科学家,哈佛大学终身教授威尔逊(EdwardO.Wilson)指出:“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)。它纯粹是人为的。但我们相信,通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环,我们可以开拓一个个新领域,世界最终会变得越来越清晰,我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”
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RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中,相互作用的光子每增加一个,有可能发生的情况就会多出一倍,也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了,不过,在费曼眼里,这却恰恰提供一个契机。因为另一方面,量子力学系统的行为也具有良好的可预测性:在干涉实验中,只要给定初始条件,就可以推测出屏幕上影子的形状。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DavidDeutsch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)。种种迹象表明:量子计算在一些特定的计算领域内确实比传统计算更强,例如,现代信息安全技术的安全性在很大程度上依赖于把一个大整数(如1024位的十进制数)分解为两个质数的乘积的难度。这个问题是一个典型的“困难问题”,困难的原因是目前在传统电子计算机上还没有找到一种有效的办法将这种计算快速地进行。目前,就是将全世界的所有大大小小的电子计算机全部利用起来来计算上面的这个1024位整数的质因子分解问题,大约需要28万年,这已经远远超过了人类所能够等待的时间。而且,分解的难度随着整数位数的增多指数级增大,也就是说如果要分解2046位的整数,所需要的时间已经远远超过宇宙现有的年龄。而利用一台量子计算机,我们只需要大约40分钟的时间就可以分解1024位的整数了。
8量子计算中的神谕
人类的计算工具,从木棍、石头到算盘,经过电子管计算机,晶体管计算机,到现在的电子计算机,再到量子计算。笔者发现这其中的过程让人思考:首先是人们发现用石头或者棍棒可以帮助人们进行计算,随后,人们发明了算盘,来帮助人们进行计算。当人们发现不仅人手可以搬动“算珠”,机器也可以用来搬动“算珠”,而且效率更高,速度更快。随后,人们用继电器替代了纯机械,最后人们用电子代替了继电器。就在人们改进计算工具的同时,数学家们开始对计算的本质展开了研究,图灵机模型告诉了人们答案。
量子计算的出现,则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。可以说。这是一种革命性的思考与解决问题的方式。
因为在此之前,所有计算均是模拟一个快速的“算盘”,即使是最先进的电子计算机的CPU内部,64位的寄存器(register),也是等价于一个有着64根轴的二进制算盘。量子计算则完全不同,对于量子计算的核心部件,类似于古代希腊中的“神谕”,没有人弄清楚神谕内部的机理,却对“神谕”内部产生的结果深信不疑。人们可以把它当作一个黑盒子,人们通过输入,可以得到输出,但是对于黑盒子内部发生了什么和为什么这样发生确并不知道。
9“神谕”的挑战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
[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputationandQuantumInformation[M].CambridgeUniversityPress,2000.
