大國重器的中國式浪漫:話說九章二號與祖沖之二號之命名

科技     2021年10月31日

很多大國重器的名字都充滿著獨特的「中國式浪漫」,「神舟」載人飛船、「天宮」載人空間站、「北斗」定位系統、「祝融」火星探測、「嫦娥」探月工程……科技與傳統齊飛,底蘊同自信共顯,正可謂科技強國、文化立心。

近日,我國量子計算再獲突破,「九章二號」與「祖沖之二號」相繼問世。

113個光子144模式的量子計算原型機「九章二號」,處理特定問題的速度比目前全球最快的超級計算機快10的24次方倍,可以說是億億億倍。

大國重器的中國式浪漫:話說九章二號與祖沖之二號之命名

「九章二號」144模式干涉儀(部分)實驗照片。來源:中國科學技術大學官網

66比特可編程超導量子計算原型機「祖沖之二號」求解速度比目前最快的超級計算機快一千萬倍,計算複雜度比谷歌的超導量子計算原型機「懸鈴木」高一百萬倍。

大國重器的中國式浪漫:話說九章二號與祖沖之二號之命名

「祖沖之二號」量子處理器。來源:中國科學技術大學官網

量子計算被認為是未來計算領域的發展方向,作為世界科技前沿之一,已經成為世界各國角逐的焦點。我國此次對兩款量子原型機升級,標誌著中國成目前唯一在兩種物理體系達到「量子計算優越性」里程碑的國家。

那麼,我國的量子計算機為何被命名為「九章」「祖沖之」呢?

「九章」之名,起源於我國古代最早的數學專著《九章算術》。

《九章算術》是《算經十書》中最重要的一部,由西漢的張蒼、耿壽昌增補整理。《九章算術》全書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就,共收有246個數學問題,分為方田、粟米、衰分、少廣、商功、均輸、盈不足、方程、勾股九章。它不僅最早提到分數問題,也首先記錄了盈不足等問題,《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。

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《九章算術》確定了中國古代數學的框架,後世的數學家,大都是從《九章算術》開始學習和研究數學。唐宋兩代,《九章算術》都由國家明令規定為教科書。到了北宋,《九章算術》還曾由政府進行過刊刻,成為世界上最早的印刷本數學書。可以說,《九章算術》的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系,是一部具有里程碑意義的歷史著作,而將量子計算原型機命名為「九章」,一則為了紀念《九章算術》,二則也標誌著我國在「量子計算優越性」領域具有里程碑意義的關鍵一步。

「祖沖之號」,則是為了紀念我國古代偉大的數學家祖沖之。祖沖之是一位博學多才的科學人物、百科全書式的學者,在數學、天文學、文學、哲學、機械學等方面均有所成。

大國重器的中國式浪漫:話說九章二號與祖沖之二號之命名

數學方面,祖沖之首次將圓周率精算到小數第七位,即在3.1415926和3.1415927之間,並提出圓周率的約率為22/7,密率為355/113。他的圓周率精確值在當時世界遙遙領先,直到1000年後阿拉伯數學家阿爾·卡西才超過他。所以,國際上曾提議將「圓周率」定名為「祖率」。祖沖之曾寫過《綴術》一書,被收入《算經十書》中。《隋書》評論「學官莫能究其深奧,故廢而不理」。《綴術》曾是唐代國子監算學課本,北宋後,這部書漸漸失傳。

天文曆法方面,祖沖之認為當時執行的《元嘉歷》有許多錯誤,於是他著手編撰了《大明曆》。《大明曆》區分了回歸年和恆星年,最早將歲差引進曆法,提出了用圭表測量正午太陽影長以定冬至時刻的方法,還提出了「交點月」的計算,與現今推算值相差不到1秒。他提出了391年144閏月的新閏法,即一個回歸年的長度為365.24281481日,與今天的推算值僅相差46秒。此外,他對木、水、火、金、土等五大行星在天空運行的軌道和運行一周所需的時間也進行了觀測和推算,給出了更精確的五星會合周期。

除了數學和天文學方面的工作以外,閒暇時間的祖沖之還製造過各種奇巧的機械,比如用銅製機件傳動的指南車,一天能走百里的「千里船」、水碓磨,還設計製造過漏壺(古代計時器)和欹器(器具用來盛水「中則正,滿則覆」,古人常放置在身邊以自警)。同時他還精通樂理,對於音律很有研究,又著有《易義》《老子義》《莊子義》《釋論語》等關於哲學的書籍,文學方面他著有《述異記》,一本志怪小說。遺憾的是,這些著作都已失傳。

學而優則仕,祖沖之對政治也有很大的興趣,並展現出卓越的政治才華。祖沖之做過婁縣縣令、擔任過謁者僕射,擔任長水校尉的時候,寫了篇《安邊論》,建議朝廷開墾荒地,發展農業,安定民生,鞏固國防,得到當時皇帝的稱讚。

祖沖之不僅自己的事業乾得風生水起,兒子也教的不錯。其子祖暅,也是我國著名的數學家、天文學家,他曾與祖沖之一起圓滿解決了球面積的計算問題,得到正確的體積公式,並據此提出了著名的「祖暅原理」。