2021年5月8日，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊公布一則重磅消息：他們成功研制出目前國際上超導量子比特數(shù)最多的量子計算原型機——“祖沖之號”，操縱的超導量子比特達62個。

從誕生之日起，量子計算機就備受人們關(guān)注。剛剛?cè)脒x“中國青年五四獎?wù)录w”的“九章”光量子計算原型機研制團隊，創(chuàng)造了用時200秒解決世界上最快超級計算機6億年計算量的紀錄。

量子計算機從哪里來？又要向哪里去？為何人類對計算速度總是孜孜以求？是什么讓人們不斷推動計算能力的發(fā)展？本版將分3期予以探究，今天刊發(fā)第一期。

古老的口訣

兩千年前的“原始計算機”

計算機是一個年輕又古老的工具。說它年輕，是因為我們今天使用的電子計算機在1946年才誕生；說它古老，是因為其蘊含的計算邏輯、計算功能早已為先人所運用。

美國硅谷，世界上最大的計算機歷史博物館入口處立著一塊大展板，上面寫著“計算機有2000年的歷史”。當前來游覽的人們將目光順著時光軌跡追溯2000年，不難發(fā)現(xiàn)，大洋彼岸，一個叫“漢”的王朝，人們正用一種清脆作響的工具進行計算——這便是我們熟知的“算盤”。

“一上一、二上二、三下五除二?！边@句朗朗上口的珠算加法口訣，從上千年前流傳至今。這些口訣就如同計算機的程序，有了這些程序，操作算盤的人就不需要再思考運算過程?！皵?shù)字－口訣－結(jié)果”，這樣的操作模式也與現(xiàn)在計算機“輸入－程序－輸出”的計算邏輯相一致。這正是算盤被看作“原始計算機”的原因。

可別小看了這一粒粒清脆作響的算珠。在中國古代，上至朝廷官府的內(nèi)庫總賬，下到升斗小民的收支盤點，都是撥打著算珠算出來的。

在電影《橫空出世》中，有這樣一個令人難忘的鏡頭：研究原子彈的關(guān)鍵時刻，偌大禮堂內(nèi)，上百名科研人員一邊對著密密麻麻的數(shù)據(jù)稿紙，一邊撥打著身前的算盤，栗紅色算珠奏響了希望的“交響樂”。

或許，電影存在藝術(shù)表現(xiàn)手法，但在大國重器研制過程中，這源于東方古國“三下五除二”的口訣，確實立下了汗馬功勞。

事實上，人類對于計算工具的使用，較之算盤還要久遠得多。老子《道德經(jīng)》中記載：“善結(jié)無繩約而不可解”“善計不用籌策”。其中所提到的就是人類利用身邊物品來進行計算的兩種方式——結(jié)繩和算籌。古代印加人的奇普，是一種由許多顏色的繩結(jié)編成的、用于計數(shù)或記錄歷史的工具，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最早的計算工具。古代的算籌，實際上是一根根同樣長短和粗細的小棍子。計算時，使用者將算籌擺成縱式和橫式兩種數(shù)字，按照縱橫相間的原則表示任何自然數(shù)，通過不斷地重新布棍進行加、減、乘、除、開方及其他代數(shù)計算。

值得一提的是，利用算籌，我國南北朝時期的數(shù)學家祖沖之，先后計算圓周率，將精確度達到小數(shù)點后7位，比西方計算出這一結(jié)果早了上千年。

先驅(qū)的探索

從機械到電子

當然，算盤也有其先天弊端：人工撥打難免因疏忽而產(chǎn)生錯誤。所以，過去一些會計有時會因兩分錢對不上賬，要來回撥打一晚上算盤。而且，面對三角函數(shù)、對數(shù)等相對復雜的數(shù)學運算，算盤也顯得無能為力。

17世紀，隨著航海、科學研究和工程計算的興起，人類計算對象和計算內(nèi)容日趨復雜。在這樣的背景下，計算尺應運而生，并在其后300年里，成為工程師們的標配。1968年，被國人稱之為“爭氣橋”的南京長江大橋順利建成，巨量的大橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)就是工程師們用計算尺“拉”出來的。

隨著科技不斷進步，人類不再滿足于人工操作計算工具，開始將目光投向自動計算。1642年，法國數(shù)學家帕斯卡通過機械運轉(zhuǎn)實現(xiàn)簡單計算功能，帕斯卡計算機也成為人類第一臺能進行加減運算的機械計算機。通過這臺計算機，人們發(fā)現(xiàn)，機械或可代替人類的某些思維活動，來實現(xiàn)計算與存儲功能。

計算，這項專屬于人腦的活動，第一次在機械上得以實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，德國數(shù)學家萊布尼茨于1694年發(fā)明了第一臺能進行加減乘除運算的機械計算機。

隨后的幾百年間，科學家們在機械計算機的道路上一路狂奔。19世紀，英國數(shù)學家巴貝奇設(shè)計出的差分機，甚至能準確計算出微積分難題。但遺憾的是，一個“攔路虎”出現(xiàn)了——工藝。

1823年，英國政府出資讓巴貝奇制造差分機。根據(jù)設(shè)計藍圖，制造這臺機器需要25000個零件，其中僅齒輪數(shù)就達上萬個。以當時的工藝水平來看，這根本無法制造。

科學有時就像撒滿種子的花園，也許會有嫩芽毀于風雨，但總有花朵悄然綻放。當機械計算機遭遇“瓶頸”后，電子計算機悄然興起。

1946年，世界上第一臺通用電子計算機ENIAC應運而生。這臺重達30噸的龐然大物，第一次將電子元器件作為計算單元。以今天的眼光來看，這個“大胖子”顯得尤為笨拙和臃腫，但它比當時最快的機電式計算機快了1000倍。到退役為止，ENIAC共運算8萬多小時，為氫彈研制、天氣預測、風洞開發(fā)等做出了卓越貢獻。

科學家常常將1946年稱為人類文明的一個重要分水嶺。這不僅僅是因為計算機實現(xiàn)了從機械到電子的飛躍，更是因為從此以后，人類進入一個嶄新的信息革命時代。

科技的怒放

人類進入信息時代

這是一個科技怒放的年代，也是一個充滿傳奇的時代。

在ENIAC誕生之后不到100年，一臺又一臺大型機如爭相怒放的百花般問世：人類研發(fā)了第一臺實時電子計算機“旋風”計算機、第一臺商用“PDP-1”計算機、第一種投入大量生產(chǎn)的“IBM650”計算機……

這一切，都發(fā)生在極短時間內(nèi)。就像摩爾定律中所提到的那樣，每經(jīng)過18個月左右，計算機處理器的性能就會比之前提高一倍。摩爾定律就如同信息時代的驅(qū)動力，在其后幾十年里，計算機從裝滿屋子的龐然大物，逐步進化為僅有沙粒一般大小的納米計算機；計算速度從每秒幾百次提升到每秒幾萬億次；從神秘的科研專屬，變成人們工作生活中不可或缺的普通工具……

現(xiàn)今，電子計算機已進入人工智能時代。人工智能機的特點是，具有分布式聯(lián)想記憶，并可在一定程度上模擬人和動物的學習功能。

2017年5月，智能機器人AlphaGo以3∶0成功擊敗作為當時世界圍棋第一人的柯潔。在強大計算能力加持下，這個被人類造出的工具，在圍棋方面已然超越人類。

這不由讓人想起英國科學家圖靈留給后來人的那個問題：機器會思考么？或許圖靈沒有想過，這個問題竟成為他留在計算機發(fā)展史的一個“彩蛋”，并且在他提出這一問題不到50年時間里就被人類所回答。

隨著科技的發(fā)展，人類比以往任何時候都站得更高、望得更遠。當我們低頭望向所處的文明階梯，不難發(fā)現(xiàn)，其中一個重要組成部分，就是計算工具。

這些計算工具因計算產(chǎn)生，在人類文明史上發(fā)揮了巨大作用：算盤撥出農(nóng)耕文明的繁盛，機械計算機勾勒出第一次工業(yè)革命的裊裊蒸汽，而電子計算機以及所衍生的信息技術(shù)，讓人類真切感受到萬物互聯(lián)……

此時此刻，我們應當感謝托起這座階梯的一個個名字：漢朝的無名氏，用清脆的撥弄算珠的聲音，寫下人類最古老的計算機程序；美國的馮·諾依曼，在0和1的轉(zhuǎn)換之間，勾勒出現(xiàn)代計算機的基本工作原理；英國的圖靈，用“圖靈機”設(shè)想奠定了計算機發(fā)展的理論基石；“信息論之父”香農(nóng)，用一個公式描繪出信息技術(shù)革命的無限愿景……

或許，他們不曾想象自己的智慧會對后來文明產(chǎn)生怎樣影響，就如同有些事物，我們不必追求它們開出美麗花朵，因為，它們本就是根。

版式設(shè)計：梁 晨

圖①：算盤；圖②：算籌；圖③：計算尺；圖④：帕斯卡計算機；圖⑤：巴貝奇差分機；圖⑥：ENIAC原型機。

作者：王微粒

來源： 解放軍報