貫穿電影《流浪地球2》的一個重要角色是550系列量子智能計算機，丫丫的數字生命、無人機暴亂、MOSS系統的“陰謀”等都與它有關。從起初的550A到電影最后的MOSS，它變得越來越強大，甚至連人類都要依靠它們實現“數字永生”。
計算機的計算速度是如何一步步變快、變強大的？這就要從人類最原始的計算機——算盤說起。
機械計算工具的演進
算盤是計算機發展的起點，它其實是一臺“機械式半自動化運算器”。打算盤的“口訣”就是編程語言，算盤珠是存儲器。
計算機發展的第二階段是可以做四則運算的加法器、乘法器。1642年，法國數學家帕斯卡為了幫稅務官父親計稅，發明了一個機械式的加法器。1673年，德國數學家萊布尼茨發明了可做乘除法的乘法器。
計算機進階到第三步，是可編程織布機�？棽紮C跟計算有什么關系？織布工人在紙上畫出圖形，機器能讀懂并將其繡到布上，這個過程就是編程。1801年，法國機械師杰卡德發明了首個可編程織布機——通過穿孔卡對織布機進行編程。
計算機發展的第四階段是差分機。西方進入大航海時代，人們在航行中編制航海、天文用表時，需要大量人工勞動，直到19世紀英國數學家巴貝奇設計出了差分機與分析機。雖然機器在工程上沒能徹底實現，但已經可以完成非常復雜的計算，如通過多項式逼近對數、指數和三角函數。
到了第五階段，人類歷史上第一次有了計算程序。1843年，世界上第一位程序員愛達設計出了一個算法，用來計算伯努利數列的值。這是歷史上第一個利用計算機運算的算法程序。
第六階段，機械計算工具的發展到達頂峰。第二次世界大戰期間，艾倫•圖靈為了破譯密碼設計出“圖靈甜點”解碼機，其有著非常優越的計算能力和適應性。
現代計算機的誕生與應用
經過這六個發展階段，至此，機械式計算工具達到了工程技術積累的巔峰。但這時還沒有出現電子計算機，即便是“圖靈甜點”，也只是一類專用的計算機，每一個功能都要專門制造。
直到出現了三位偉大的學者——艾倫•圖靈、馮•諾依曼和威廉•肖克利。他們的發明奠定了現代通用計算機工程科學的三大基石，使通用電子計算機最終得以問世。
圖靈是個奇人。他曾在普林斯頓大學讀博士，第二次世界大戰時期破譯了恩格瑪密碼，后來成為愛因斯坦的同事。他還是一位世界級長跑運動員，參加過馬拉松比賽。有一部名為《模仿游戲》的電影，講述的便是他的傳奇人生。
1936年，為了解決“數學可判定”問題，圖靈發明了圖靈機——模擬人用紙筆計算的機器。圖靈機模型主要由一條無限長的紙帶、一個讀寫頭和一些內部狀態組成。紙帶被分成一個個小方格，每個方格可以包含一種符號，如0或1。讀寫頭可以在紙帶上移動，讀取和寫入符號，并根據當前狀態和讀取的符號改變內部狀態和移動方向。圖靈機可以模擬任何算法的過程，是一個理論上的計算模型，為現代計算機的發展奠定了基礎。
馮•諾依曼首先提出“存儲程序”的概念和二進制原理，并為圖靈機的實現提供了一個通用的體系結構——將計算機分為輸入設備、存儲器、運算器、控制器、輸出設備。有了馮•諾依曼的結構，圖靈機從一個抽象的數學模型，變成了工程師可以實現的結構，從而解決了現代計算機如何實現的難題。
1946年2月14日，人類歷史上第一臺真正意義上的電子計算機——ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生。它使用電子真空管執行數字和邏輯運算，使用穿孔卡片輸入數據和指令。ENIAC的出現標志著現代計算機的誕生，對人類社會的科技、經濟和社會發展產生了深遠影響。
光有電子計算機還不行，人們還希望它的運算速度能夠變快。
肖克利被譽為“晶體管之父”，他與另外兩位科學家一起發明了晶體管。晶體管是實現計算機數學基礎布爾代數的開關器件，是建造現代計算機之塔的“磚塊”。它的發明為現代計算機的發展提供了更小、更快、更可靠的電子元件，取代了之前使用的真空管，使計算機的體積和功耗大大降低，性能和可靠性大大提升。
在肖克利之后，杰克•基爾比發明了集成電路。1958年，基爾比成功創造出世界上第一個采用單一材料制成的集成電路，標志著微電子時代的開始，對全球電子工業的發展產生深遠影響�，F在，我們最大的一個芯片上可以集成超過1000億個晶體管，這正是微電子集成電路的功勞，它讓計算機運行得越來越快。2000年，基爾比因集成電路的發明被授予諾貝爾物理學獎。
有了計算機，接下來就是應用的繁榮。全世界使用計算機的人是依靠什么互聯互通的？是互聯網，其讓全世界任何一個人都可以通過網絡與世界通信�；ヂ摼W的發明離不開傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）。其是由羅伯特•卡恩和文森特•瑟夫共同發明的。他們的這項發明對互聯網的發展產生了重要影響，并最終成為大部分因特網共同遵守的網絡規則。
英國計算機科學家蒂姆•伯納斯—李在歐洲核子研究組織工作時，意識到科學家之間共享信息的方式非常不便。因此，他開始著手設計一種新的信息管理系統，這就是萬維網的前身。
伯納斯—李設計的萬維網系統包括三個核心組成部分：超文本標記語言（HTML）、超文本傳輸協議（HTTP）和統一資源定位符（URL）。HTML用于創建和格式化網頁內容，HTTP用于在Web服務器和瀏覽器之間傳輸數據，而URL則為互聯網上的每個資源提供了唯一的地址。
1990年，伯納斯—李成功開發出第一個Web瀏覽器和Web服務器，使用戶能夠在萬維網上查看和發布信息。這一發明為互聯網的普及和發展奠定了堅實基礎，從此，人類進入了數字文明的新時代。
中國計算科學家的歷史貢獻
在計算機領域，有三位中國科學家貢獻很大。
第一位是中國計算機學科的創始人、被譽為“中國計算機之母”的夏培肅。她是我國第一臺自行設計的通用電子計算機的發明人，還培養了一大批從事計算事業的人才。英國廣播公司（BBC）專門撰寫了一篇文章，以紀念夏培肅。
第二位是中國工程院院士金怡濂。作為我國巨型計算機事業的開拓者之一，他在半個世紀里先后提出在各個時期均居國內領先或國際先進水平的大型和巨型計算機系統的設計思想和技術方案，并組織科技人員刻苦攻關、予以實現。他是“神威”超級計算機總設計師，使我國高性能計算機峰值運算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上。
第三位是國家最高科技獎獲得者、兩院院士王選。他是計算機漢字激光照排技術的創始人，被稱為“漢字激光照排系統之父”。他主持研制成功的漢字信息處理與激光照排系統、方正彩色出版系統得到大規模應用，帶來了我國出版印刷行業“告別鉛與火，邁入光和電”的技術革命。
這里還要再提一下中國工程院院士李國杰。20世紀80年代，我國在計算機超算方面還很落后，好不容易從美國買來一臺超級計算機，美方卻用玻璃房子把機器罩在里面，并24 小時全方位監控，連進出門的鑰匙和啟動密碼也由美方掌控，中國人不允許進入玻璃房子。
這對中國科學家而言是一個恥辱。后來，李國杰回國后帶領研發團隊，研制出“曙光”機群系統，并逐步實現了高性能計算機產業化。現在，我們無論是大學、研究所還是企業，都有最快的高性能計算機可用，正是在于我們走通了高性能計算機產業化創新道路。
今天，我們有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新區有一個網紅打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”景觀玻璃房。這里裝著的高性能計算機，正是《流浪地球2》中依靠液冷散熱的550W的原型。
未來計算技術的兩個方向
計算技術的未來，有兩個方向是人們比較關注的。
一是到2035年，我們能不能造出Z級計算機。Z級計算機中的“Z”，代表計算機運算速度達到每秒1021次，現在我們能達到E級計算，即1018次。
高性能計算機提速的背后，有幾個要解決的重大問題，如“能耗墻”。如何降低能耗是世界級難題。現在，我們主要通過器件結構或工藝提升能效，包括高密度的集成封裝。當然，如果高溫超導技術實現，超導技術的應用也能降低能耗。另外，光子計算也有望降低能耗。
二是量子計算機。很多人看過《流浪地球2》后都在問，類似于550W或者MOSS的量子計算機能不能被制造出來。量子計算機主要是并行計算，所以它的速度和性能充滿想象空間。
我認為，要實現量子計算機，至少需要6個步驟，但現在我們的科學家只知道前三個步驟該怎么做，后三個步驟還沒有頭緒。
第一步，人們已經做出來了“量子算盤”——用量子計算的原理對某一特定問題進行加速，如谷歌公司的量子計算機、中國科學技術大學研究團隊的“九章”，已經可以在量子采樣算法上實現“量子優越性”。
第二步是“量子運算器”，就是要能對一類科學問題進行求解�，F在這一步還存在技術挑戰，如量子存儲要克服量子態可存儲時間極短的問題、量子隨機訪存尚未實現實驗驗證，等等。
第三步是領域專用的量子計算機，需要實用的量子算法、量子編程框架、量子編譯優化、量子指令集、量子微體系結構、量子糾錯碼、底層物理芯片……我們希望到2050年前能完成這一步，構成一個完整的量子計算機技術體系。當然，即便到了這一步，距離電影中的550C都還非常遙遠，這需要更多年輕人投身到這一領域共同努力。今天，人類已經進入到了人—機—物三元融合的世界，未來的信息世界要靠大家一起創造。■
（作者系中國工程院院士，記者趙廣立根據其在“科學與中國”再出發—— “千名院士·千場科普”首場報告會上的報告整理）