本站原创摘 要 ：随着计算科学的发展,人们所使用的计算工具也在不断的进步.从传统的算筹、算盘到电子计算机,从电子计算机再到量子计算系统,计算工具获得了持续的创新.而计算工具的革新,赋予了人们更强的科研能力,从而促进了计算科学的进步.
关 键 词 ：计算科学；计算机；量子计算
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 08-0000-02
计算科学是促进人类发展的重要学科之一.计算科学的发展总是伴随着计算工具的发展.计算工具是人们进行计算的重要手段,随着信息技术的不断发展,计算工具不断革新.就计算机而言,从电子管计算机、晶体管计算机发展到电子计算机,再由电子计算机发展到量子计算,计算机的发展可谓是日新月异.
一、计算概述
计算就是将一个符号串经一定的法则变换为另一个符号串.例如,将11-6符号串变换为5就是减法计算.减法计算是众多计算中的一种,通常可以将计算分为两种：符号推导与数值计算.符号推导主要包括几何命题证明、不等式证明、恒等式证明等；数值计算主要包括加减乘除运算、开方运算、幂运算、方程求解等.不论是符号推导,还是数值计算,都具有一致性、等价性.符号推导和数值计算密切相连,具有相同的计算本质,能够相互转化.随着科学的不断进步,还可能会有新的计算类型出现.而计算科学的发展势必会促进计算工具的发展.
二、以往的计算工具
从人类开始使用计算起,人们就在不断地探索能够使计算更加便捷、快速的计算工具.计算工具的发展和计算科学的进步息息相关.算筹是我国在公元前五世纪使用的计算工具,随着计算的发展,人们又发明了更为有效地计算工具——算盘,算盘取代算筹成为了15世纪后中国人普遍使用的计算工具.算盘的发明基础是算筹,算盘将算法口诀化,使计算更加实用、方便,加快了计算的速度.近代科学技术的发展,带动了计算工具的发展.17世纪发明人们发明了对数,通过对数可以将乘除运算化成加减运算,根据这一特点人们发明了对数计算尺.当计算尺上装了光标之后,计算迟的应用越来越普及.与计算尺一起出现的还有机械式计算器,例如帕卡斯发明的帕卡斯加法器,莱布尼茨发明的手摇计算器等.随后,科学家们不断对计算工具进行改进,尤其是经过奥德内尔、托马斯等科学家改进后的计算工具,得到了越来越广泛的应用.
三、电动计算机与电子计算机
1834年,巴贝奇设计了完全由程序控制的分析机,此分析机有着现代计算机的主要构成部分和基本思想,不过受到当时工业技术水平的制约,没有能够研制成功.在此之后,随着电力技术的不断发展,新式的电动式计算器逐渐替代了老式的人工计算器.德国科学家楚泽于1941年,研制成了异步采用继电器的过程控制计算器.20世纪初出现的电子管,促进了计算器的革新.1946年美国研制成了电子计算机.自此,人类的计算迈入了新的时代.电子计算机是最伟大的发明之一,是由科学技术的进步而产生的现代工具.自20世纪60年代以后,信息技术和电子计算机飞速发展,芯片集成度日新月异,电子计算机的速度也越来越快.
计算机网络的发展大致可以划分为三个主要阶段：第一阶段是从1968年到1986年的ARPA阶段,这是美国的研究以及试用阶段；第二阶段是从1986年到1995年的N网络阶段,该阶段是美国互联网科研应用阶段,计算机联网以及互联标准化问题得以解决,开放式系统互联参考模式被提出；第三阶段是从1995年开始至今的计算机网络商业化发展阶段,这也是国际化联网快速高速发展的阶段,网络的影响波及全球.
要对计算机网络进行规划与设计,首先要明确网络的分类方式.在此,笔者详细介绍两种网络分类方式：第一种,以网络地理位置为划分标准,可以将网络分为局域网、城域网以及广域网,其中,局域网和广域网是重点,局域网是其他两种网络类型的基础,广域网最具代表性的就是Inter.第二种,按照网络拓扑结构,可以分为星型网络、环形网络以及总线型网络,此外的树型网、簇星型网等类型网络都是建立在以上拓扑结构基础之上的.
人类是否能够永无止境地提升电子计算机的运算速度,电子计算机的计算能力是否存在极限,成为了科学家普遍关注的问题.经过严密论证后,有关学者指出传统的电子计算机的计算能力存在上限,其计算能力不能无限的提高.电子计算机飞速发展的计算能力将会终止,必将有新型的计算工具取代电子计算机.
四、量子计算系统
20世纪80年代出现了量子计算思想的萌芽.费曼试图使用电子计算机进行量子力学系统行为的模拟.然而,费曼遇到了一个棘手的难题——量子力学系统的行为一般难以理解或求解.例如,在光的干涉现象中,相互作用的光子在干涉过程中每增加一个,就会导致可能情况发生的概率增加一倍,问题的规模是按照指数级增加的.此类试验模拟的计算量非常大,然而这恰恰为量子计算提供了一个契机.由于量子力学系统行为的可预测性较好,在光的干涉现象试验中,如果初始条件已定,就能够推导出屏幕上呈现的影子形状.据此,费曼推断如果干涉实验中包含需要进行大量计算的现象,难么模拟此类实验,并测量实验结果,就等于完成了相应的计算.所以,通过在量子力学对象上完成实验的方法,能够大大地提高计算机的运算速度.
费曼认为使用量子计算机时,无需考虑如何实现计算,将计算当成由“神谕”实现的,所以在量子计算中此类计算被称作“神谕”.在某些计算领域,量子计算的确强于传统的计算.比如,把一个1024位的十进制数（大整数）分解成两个质数的乘积,在这样的“困难问题”的计算中,传统的电子计算值无法快速的进行此类计算,计算所耗费的时间远远超出了人们能够等待的限度.然而,如果使用量子计算机的话,大约只需要40分钟就能够将1024位的整数分解了.量子计算系统显著提升了计算的速度.量子计算系统的出现赋予了人们更强的思考能力和科研能力,激励人们解决量子计算“神谕”的黑箱子内部作用机制.此外,量子计算体统进一步揭示了计算科学的本质,人类对计算本质的认识不断扩展.不论人们能否发现量子计算的本子,量子计算的时代都已经悄然来临.量子计算是一次重要的计算科学革命,为人们提供了解决问题的新角度.尤其是在计算量大、复杂的运算中,量子计算系统与电子计算机相比具有非常突出的优势.随着量子计算机的不断发展,一些困扰人类的问题势必会得到解决.量子计算系统使得计算科学从“牛顿时代”迈入了“量子时代”,更深刻地影响着人类的文明.
五、结束语
人类的计算工具是随着计算科学的进步而逐渐发展的.木棍、石头、算筹、算盘、电动计算机、晶体管计算机、电子计算机、量子计算机均是人类运用自身智慧发明、使用的计算工具.起初人们发现木棍或石头能够协助人们进行计算,当计算不断复杂化后,人们又发明了算盘,用于层次更多的计算.随着信息技术的不断发展,人们发现机器也能够进行“珠算”,并且有着更快的速度和更高的效率.机械取代了手工,继电器取代了机械,电子取代了继电器等人们的计算工具始终在不断的进步.随着互联网技术和电子计算机的发展,人类的科研能力不断增.在改进计算工具的同时,人们也更加关注研究计算的本质.
量子计算的出现,打破了人们对计算的传统认识.量子计算利用一个实验取代复杂的运算,是一种极具创新思维的问题解决方式.在量子计算出现之前,传统的计算机可以称之为快速的“算盘”.例如64位寄存器的电子计算机,在世纪的运算中等于有着64根轴的算盘.而量子计算则不一样,量子计算机的内部与“神谕”相似,人们难以弄清“神谕”的作用原理,却非常相信“神谕”产生的结果.人们将量子计算系统看成一个黑盒子,输入后就可以得到输出,然而对黑盒子的内部用机制却不清楚,不知道为什么会输出这样的结果和黑盒子内部到底发生了什么.不过量子计算的出现,恰恰体现了人类思考能力和创新能力的提升.
总而言之,计算科学的发展有赖于计算工具的进步,计算机是人类所使用的计算工具最为先进的一种,随着科技的不断进步,计算机也在不断地演变、发展,从电子管计算机、晶体管计算机到电子计算机,从电子计算机到量子计算等随着计算工具的不断发展,人们的科研能力和整体思维能力势必会不断提高,进而促进计算科学的发展,从而形成计算科学和计算机相互促进、持续发展的良性循环.