计算机科研提速与计算科学

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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.

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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纳米等于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.