量子糾纏與量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論

李宏芳

21世紀(jì)量子信息和量子計(jì)算科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛?？茖W(xué)家的研究深入到微觀量子比特世界，開始探測和操縱量子比特的行為?！叭f物源于量子比特”（it from qubit）成為物理學(xué)家探究宇宙萬物包括時(shí)空矩陣起源的形而上學(xué)基礎(chǔ)。

根據(jù)這一形而上學(xué)基礎(chǔ)，在量子世界，空間是量子比特的“海洋”，基本粒子是量子比特的波動(dòng)渦旋，基本粒子的性質(zhì)和規(guī)律起源于量子比特海中量子比特的組織結(jié)構(gòu)，即量子比特的序。量子真空作為量子比特海中一種很特殊的、高度糾纏的物質(zhì)態(tài)—量子拓?fù)湮飸B(tài)，孕育出宇宙萬物包括時(shí)空矩 陣。

這時(shí)，量子比特海中的波就可以是光波，量子比特海中的“渦旋”就可以是電子。這說明光子和電子是可以用量子比特統(tǒng)一描寫的。這一理論的深層內(nèi)涵是信息和物質(zhì)的統(tǒng)一。量子比特和長程糾纏形成的弦網(wǎng)凝聚結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一了量子世界中的信息與物質(zhì)，在哲學(xué)上孕育出量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論。

一、量子糾纏與量子退相干

在量子世界，糾纏效應(yīng)普遍存在。糾纏是量子力學(xué)的典型特征①糾纏（entanglement）概念1935年由薛定諤（E.Schr?dinger）提出，他寫道“糾纏是量子力學(xué)的典型特征，加強(qiáng)了與經(jīng)典思想線路的整個(gè)分離?！眳⒁奅.Schr?dinger “Discussion of Probability Relations Between Separated Systems”.Mathematical Proceedings of Cambridge Philosophical Society.Vol.31， Issue 04， 1935，p.555。另見成素梅：《改變觀念：量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)革命》，北京：科學(xué)出版社2020年版，第120—123頁。，也是量子世界諸多神奇現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)，包括測量和退相干。正是糾纏和測量使得一個(gè)物體的量子屬性瞬時(shí)傳遞給另一個(gè)量子物體，表現(xiàn)出量子世界物質(zhì)屬性神奇的非局域關(guān)聯(lián)。例如，1935年愛因斯坦提到的“鬼魅式的遠(yuǎn)距離相互作用”是量子糾纏；同年薛定諤設(shè)計(jì)的死活疊加的貓是宏觀與微觀的糾纏；作為量子信息理論的一個(gè)神奇應(yīng)用，量子隱形傳態(tài)②在量子隱形傳態(tài)中，原初物體的質(zhì)料（物質(zhì)、能量）保留在出發(fā)點(diǎn)，而它的整個(gè)結(jié)構(gòu)（即它的物理態(tài)）消失了，這個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在了另一端物體的身上，在終端出現(xiàn)了與原初物體相同的一個(gè)物體。即量子隱形傳態(tài)不是隱形傳送整個(gè)物體本身，比如一本書或一頁紙，也不是隱形傳送一個(gè)物體的質(zhì)量或能量，物體本身是不經(jīng)過空間任何中間媒介點(diǎn)的，而是通過制備該物體的糾纏態(tài)，并對(duì)其中要隱形傳送的量子態(tài)進(jìn)行聯(lián)合測量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該物體的整個(gè)結(jié)構(gòu)的隱形傳送。由于糾纏的量子態(tài)包含著重要的信息，是一切物質(zhì)存在的本質(zhì)和創(chuàng)造原則。因此，在量子隱形傳態(tài)中，我們絕不只是隱形傳送了物體的某種近似的描述，實(shí)際上是通過隱形傳送它的量子態(tài)而傳送了物體的全部實(shí)質(zhì)內(nèi)容。詳見Nicolas Gisin，Quantum Chance：Nonlocality， Teleportation and Other Quantum Marvels，Switzerland：Springer，2014，pp.68—69。也是利用預(yù)先共享的EPR糾纏對(duì)移動(dòng)量子態(tài)，實(shí)現(xiàn)了量子信息的遠(yuǎn)程傳輸。沒有量子糾纏的客觀存在和科學(xué)家對(duì)量子糾纏的深刻認(rèn)知，就沒有我國“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星的成功實(shí)現(xiàn)。

量子世界的這種非局域關(guān)聯(lián)，可能某種意義上是從我們的外時(shí)空涌現(xiàn)出來的，因此不能用我們時(shí)空中的敘事來說明。③Nicolas Gisin，Quantum Chance： Nonlocality， Teleportation and Other Quantum Marvels，Switzerland：Springer，2014，pp.50—51.換言之，糾纏的源頭可能并不在我們的時(shí)空之中，量子屬性通過糾纏傳輸實(shí)際上發(fā)生在我們的時(shí)空之外。糾纏實(shí)則由宇宙形成之前量子比特海中量子泡沫媒介中的相互關(guān)聯(lián)組成。量子泡沫是對(duì)普朗克長度量級(jí)下量子振蕩的定性描述。在這個(gè)尺度，原子和粒子世界光滑如鏡的時(shí)空讓位于沸騰不已的處于混沌狀態(tài)的時(shí)空幾何，長度、時(shí)間的通常意義在此消失了。因此，兩個(gè)物體無論在我們的經(jīng)典世界相隔得多么遠(yuǎn)都沒有關(guān)系，因?yàn)樾畔⒏揪筒恍枰ㄟ^我們的時(shí)空傳輸。這就消除了量子隱形傳態(tài)的“奇異性”或“鬼魅性”，并且與狹義相對(duì)論不相矛盾，愛因斯坦的光速限制不適用于外時(shí)空。

糾纏很像在時(shí)空外部的超鏈接之類的東西，它們把量子實(shí)體的疊加態(tài)聯(lián)結(jié)在一起。④Terrell Ward Bynum，On the Possibility of Quantum Informational Structural Realism，Minds & Machines，Vol.24， Issue 1， 2014， p.136.當(dāng)測量一個(gè)糾纏實(shí)體時(shí)，這個(gè)實(shí)體就退相干，與之糾纏的另一個(gè)實(shí)體不必接受在時(shí)空中傳遞的任何消息，就能瞬間以相反的方式退相干。①退相干即“波函數(shù)坍縮效應(yīng)”，指的是原本連續(xù)分布的波函數(shù)概率幅，在經(jīng)歷“觀測”之后瞬間退變?yōu)殡x散分布于某一特定點(diǎn)的函數(shù)的現(xiàn)象。退相干和量子糾纏是兩個(gè)相關(guān)的問題。因此，量子計(jì)算機(jī)的研制需要克服量子世界的退相干效應(yīng)。但也正是量子退相干，使得經(jīng)典物體的存在現(xiàn)實(shí)化，讓經(jīng)典物體定域在特定的位置擁有特定的屬性，我們可以觀察和測量它們，保證了我們經(jīng)典世界的確定存在。

而且，退相干從我們的量子宇宙中無窮多物理可能性中“抽取”或“創(chuàng)造”了經(jīng)典物體，這個(gè)“抽取”過程是真正隨機(jī)的。正如量子信息物理學(xué)家蔡林格（Anton Zeilinger）所說，“此刻的這個(gè)世界不會(huì)唯一地決定以后幾年、幾分鐘，甚至下一秒的世界。世界是開放的。我們只能給出單個(gè)事件發(fā)生的概率，這并不只是因?yàn)槲覀兊臒o知。許多人認(rèn)為這種隨機(jī)性僅限于微觀世界，這不是真的，因?yàn)椋S機(jī)的）測量結(jié)果本身可能有宏觀影響?！雹贏.Zeilinger， Dance of the Photons： From Einstein to Teleportation， New York： Farrar， Straus， and Giroux，2010， p.265.正是這種隨機(jī)性，成就了我們現(xiàn)在所擁有的世 界。

這就涉及一個(gè)問題，如果宇宙中所有自然物都是由同時(shí)處于多個(gè)不同狀態(tài)的量子比特組成，我們是否就能期望任何一個(gè)物理實(shí)體都可能同時(shí)處于多個(gè)不同的狀態(tài)？通常的信念是：這只對(duì)于微小的亞原子實(shí)體為真，對(duì)于更大的實(shí)體不為真。但實(shí)際的情形是，量子屬性不局限于微小的亞原子粒子。有許多宏觀物體明顯地展示量子屬性。例如，一段由數(shù)百億個(gè)原子組成的氟化鋰中有糾 纏。

人們通常把世界分為兩種實(shí)體：本質(zhì)上是量子的微小粒子和遵從經(jīng)典物理定律包括相對(duì)論的更大的“宏觀”物體，這只是對(duì)物理世界的一種方便的分割。當(dāng)代物理學(xué)家研究表明，所有尺度都是量子的世界，經(jīng)典世界只是量子世界的一個(gè)有用的近似。③Vlatko Vedral， “Living in a Quantum World （cover story） ”， Scientific American， Vol.304， Issue 6，2011， pp.38—40.這個(gè)有用的近似解釋了在我們的宇宙中何以量子王國和經(jīng)典王國一起存在，并且不斷相互作用。經(jīng)典王國是退去相干性的現(xiàn)實(shí)存在。

隨機(jī)或確定，潛存或?qū)嵈?，就好像是一枚硬幣的兩面，共存于我們的宇宙。因此，在我們的宇宙中，?shí)際上有兩種不同而又密切相關(guān)的存在形態(tài)：一種是作為波的量子存在，即一束束疊加的量子可能性；另一種是作為一個(gè)個(gè)特定物體的經(jīng)典存在，它們定域在時(shí)空的一個(gè)特定位置，具有經(jīng)典屬性，能被我們通過各種方式觀察和測量。在這個(gè)經(jīng)典和量子共存的世界，經(jīng)典的可測量實(shí)體來源于一個(gè)連續(xù)膨脹的量子比特序列，這些量子比特通過創(chuàng)造一個(gè)無窮大的物理可能疊加集，一起建立了物理上的可能世界。從這個(gè)無窮大，始終在膨脹的可能疊加集，信息共享產(chǎn)生了處于特定位置的日常經(jīng)典物體，具有可觀察和可測量的性質(zhì)，這是一個(gè)量子退相干的過程。

換言之，當(dāng)人類或其他作用動(dòng)因與量子實(shí)體相互作用進(jìn)而與它們交換信息時(shí)，相互作用會(huì)隨機(jī)地把某一物理可能性轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的經(jīng)典物體。在這個(gè)意義上，就是美國物理學(xué)家惠勒（John Wheeler）所說的：“這是一個(gè)參與的宇宙?！雹貸ohn A.Wheeler， “Information， Physics， Quantum： The Search for Links”， in W.Zurek （Ed.）， Complexity，Entropy， and the Physics of Information（pp.5—28），London： Addison-Wesley，1990， p.5.在這個(gè)宇宙中，人的活動(dòng)或其他因果動(dòng)因的作用現(xiàn)實(shí)化了經(jīng)典物體。

二、量子比特海與宇宙萬物的生成

惠勒是一位具有開拓性的物理學(xué)家，他認(rèn)為量子理論是我們認(rèn)識(shí)自然的最深層的組成部分，提出了實(shí)在的最深層的一個(gè)大秘密。物理學(xué)家應(yīng)該探究量子世界的秘密并解答一些大的哲學(xué)問題。他提出的三大哲學(xué)問題是：“物理存在如何產(chǎn)生？”“量子如何產(chǎn)生？”“在眾多觀測者參與的記錄中，為何只產(chǎn)生出一個(gè)世 界？”

惠勒的一個(gè)大膽猜想是：“萬物源于比特（it from bit）?！雹贗bid.即所有物理世界的事物、所有的物理實(shí)體、實(shí)在，包括所有的粒子、所有的力場，甚至?xí)r空連續(xù)統(tǒng)本身，它們的行為方式和存在本身，都產(chǎn)生于比特，一種二進(jìn)制的選擇（0或1），對(duì)應(yīng)于探測器發(fā)出的“是”或“否”的回答。因此，它們最終必須遵循信息理論描述。這意味著古希臘自然哲學(xué)家孜孜以求的物質(zhì)本源，在惠勒的現(xiàn)代物理學(xué)的形而上學(xué)思考中歸于信息。信息成為物質(zhì)世界的本質(zhì)存在，成為一切物理存在的基 礎(chǔ)。

惠勒的思想影響深遠(yuǎn)。從1990年他提出“萬物源于比特”的思想之后，許多物理學(xué)家都朝著實(shí)現(xiàn)這一預(yù)言的方向努力。但和早期的“以太學(xué)說”一樣，惠勒的這一觀念雖然極富哲理，但并不成功。這里涉及兩類粒子的異質(zhì)性。比特（bit）是玻色性的，玻色性的粒子只負(fù)責(zé)傳遞各種相互作用。萬物（即物理存在）包括所有的物理實(shí)體、物理實(shí)在，比如電子（it）卻是費(fèi)米性的。費(fèi)米性的粒子負(fù)責(zé)組成物質(zhì)。兩類是不同的基本粒子。如何從玻色性的東西中得出費(fèi)米性的東西來，長期以來，物理學(xué)家并不知道。因?yàn)椴Ｉ缘臇|西跟玻色性的東西放在一起還是玻色性的東西，無論如何不會(huì)產(chǎn)生出費(fèi)米性的東西來。根據(jù)物理學(xué)家文小剛的研究，“不成功的原因是沒有考慮到量子的長程糾纏。如果比特只有短程糾纏，自然就不能從玻色性的比特中推出滿足麥克斯韋方程的光子、費(fèi)米性的電子來”?！暗绻忍赜幸环N特殊構(gòu)型的長程糾纏，變成量子比特，就可以從這一具有長程糾纏的量子比特中得到所有這一切粒子了。”①文小剛：《物理學(xué)的第二次量子革命》，載《物理》2015年第4期第265頁。

“萬物源于比特”中的“比特”原來是“量子比特”，這是對(duì)惠勒觀點(diǎn)的一個(gè)重要推進(jìn)。事實(shí)上，早在2006年麻省理工學(xué)院物理學(xué)家勞埃德（Seth Lloyd）就從量子信息的視角提出了“萬物源于量子比特”（it from qubit）的思想②Seth Lloyd，Programming the Univerrse： A Quantum Computer Scientist Takes on the Universe， Alfred A： Knopf，2006，p.175.。根據(jù)這一思想，宇宙最初是一個(gè)巨大的量子比特海洋，量子比特是所有物理實(shí)在，包括所有粒子、所有力場，甚至是時(shí)空連續(xù)體本身，得以存在的源泉和基礎(chǔ)，即量子比特對(duì)宇宙萬物的生成負(fù)責(zé)。因此，量子比特一定先于我們宇宙中的其他事物而存在，它們一定參與了宇宙大爆炸。正如勞埃德所說，“大爆炸也是（量子）比特爆炸”③Ibid.， p.46.。

給定這一假設(shè)，現(xiàn)在的形而上學(xué)思想實(shí)驗(yàn)解釋了我們的宇宙的誕生和性質(zhì)：最初只有原始量子比特?；蛘f量子比特源。我們宇宙的誕生即大爆炸是這個(gè)量子比特海中的一個(gè)量子泡沫泡的形成和膨脹。最初，原始量子比特海中的量子比特與這個(gè)量子泡沫泡疾速地相互作用，產(chǎn)生額外的量子泡沫和這個(gè)量子泡沫泡的爆炸性膨脹。在大爆炸期間，量子定律和量子泡沫一起產(chǎn)生基本粒子和時(shí)空矩陣。隨著這個(gè)疾速膨脹的量子泡沫泡變冷，各種“標(biāo)準(zhǔn)模型”的量子粒子開始形成，包括最終的希格斯玻色子。隨著希格斯玻色子的到來，膨脹的速率激劇下降，但并不完全消除。隨著原始量子比特海產(chǎn)生越來越多的量子泡沫，我們的宇宙繼續(xù)加速膨脹，或許增加的量子泡沫是“暗能量”，它們加速了我們的宇宙的膨 脹。

量子泡沫是從原始量子比特海中形成的實(shí)在的最小單元，或者說是實(shí)在的雛形。量子泡沫即量子真空也是我們知道的所有事物甚至是時(shí)空矩陣的來源地。正如物理學(xué)家克洛斯（Frank Close）所說：“當(dāng)查看原子尺度時(shí)，真空是活力、能量和粒子沸騰的海洋。”④Frank Close， Nothing： A Very Short Introduction， Oxford： Oxford University Press，2009， p.94.“物理學(xué)家的一個(gè)普遍共識(shí)是：萬物包括時(shí)空矩陣等等來源于量子真空，沸騰的真空為理解自然萬物創(chuàng)生于虛空—量子泡沫提供了深刻的含意?！薄霸诤暧^距離上出現(xiàn)的大量不同種類的現(xiàn)象，諸如我們的日常經(jīng)驗(yàn)，是由我們存在其中的量子真空即量子泡沫控制的?！雹軮bid.， p.106， p.122.

這樣，經(jīng)典世界中的實(shí)體包括時(shí)空和引力就可以理解為是由潛在的量子真空產(chǎn)生的，或許這其中還受原始量子比特海的協(xié)助。但是，經(jīng)典世界的“自然律”諸如愛因斯坦的光速要求仍然適用于經(jīng)典王國，而“鬼魅式的遠(yuǎn)距離相互作用”則是由我們時(shí)空之外的量子糾纏高維時(shí)空產(chǎn)生的。而且，鑒于宇宙在快速地記錄和處理信息方面，無異于一臺(tái)我們現(xiàn)今正想方設(shè)法研制的量子計(jì)算機(jī)，一個(gè)量子數(shù)據(jù)比特結(jié)構(gòu)，或許我們還能把一個(gè)量子實(shí)體的每個(gè)疊加態(tài)，闡釋為很像是量子計(jì)算機(jī)中一個(gè)子程序那樣的東西，當(dāng)它們從一個(gè)測量或其他物理作用那里接收到一個(gè)適當(dāng)?shù)男畔⑽粫r(shí)，它們就被激活，呈現(xiàn)為一個(gè)分立的狀態(tài)。①Seth Lloyd， Programming the Univerrse： A Quantum Computer Scientist Takes on the Universe， p.154.這就從量子計(jì)算的視角闡釋了量子測量的“波包塌縮”或說“量子向經(jīng)典”的躍遷。

從“萬物源于比特”到“萬物源于量子比特”，物理學(xué)家對(duì)物質(zhì)世界本原的探究超越了我們的經(jīng)驗(yàn)直觀，這些形而上學(xué)假說能很好地解釋量子世界的神奇現(xiàn)象，并給出了可以為實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證的預(yù)言，因而其形而上學(xué)的意義是不言而喻的。如果在物理存在的最深層次，我們宇宙中的每個(gè)物體和過程都是一個(gè)量子比特結(jié)構(gòu)，它們就會(huì)展示神奇的量子特征，諸如真正內(nèi)稟的隨機(jī)性、疊加和糾纏。

近年來，隨著疊加、糾纏、退相干和量子隱形傳態(tài)等神奇的量子現(xiàn)象獲得科學(xué)證實(shí)，它們對(duì)傳統(tǒng)的哲學(xué)概念基石提出了重要的問題。特別說來，在科學(xué)可證實(shí)的意義上，由量子比特組成的物體原則上能同時(shí)處于許多不同的位置。在合適的條件下，“宇宙中的所有物體都能處于所有可能的狀態(tài)”②Vlatko Vedral， Decoding reality：The Universe as Quantum Information， Oxford： Oxford University Press，2010，p.122.。最終，這也意味著在實(shí)在的最深層次，宇宙是離散性和連續(xù)性同時(shí)存在的。這些并不僅僅是形而上學(xué)猜測，而是科學(xué)史上證實(shí)最多也是最強(qiáng)有力確證的科學(xué)理論—量子力學(xué)所要求的東西：量子力學(xué)具有波粒二象性。量子世界是連續(xù)性與不連續(xù)性的統(tǒng)一。正是因?yàn)槭澜缬羞@些確證的科學(xué)事實(shí)，哲學(xué)家才需要重新思考許多基本的哲學(xué)概念和范疇的統(tǒng)一性，如存在與虛空、真實(shí)與虛擬、實(shí)在與潛在、原因與結(jié)果、一致與矛盾、知識(shí)與思想，等 等。

三、弦網(wǎng)凝聚與量子拓?fù)湮飸B(tài)：信息與物質(zhì)的統(tǒng)一

“萬物不是源于比特”，“萬物源于長程糾纏的量子比特”。近年來，物理學(xué)家文小剛對(duì)凝聚物質(zhì)物理學(xué)的研究，給我們從量子比特的長程糾纏和量子拓?fù)湮飸B(tài)的視角，闡釋了萬物的起源。根據(jù)他的弦網(wǎng)凝聚理論，量子比特存在一種長程糾纏，量子比特和長程糾纏在一起形成一種新的物質(zhì)態(tài)——量子拓?fù)湮飸B(tài)，可以解釋基本粒子的起源，有望實(shí)現(xiàn)宇宙中四種相互作用力的統(tǒng)一。我們觀察到的基本粒子（即物質(zhì)）只能涌現(xiàn)于長程糾纏的量子比特?；蛘f量子比特以太空間。在這樣一幅宇宙萬物生成演化的弦網(wǎng)凝聚物理圖像中，蘊(yùn)含著一個(gè)非常新穎的觀點(diǎn)：在量子世界，信息即物質(zhì)，信息統(tǒng)一了物質(zhì)。①Bei Zeng， Xie Chen， Duan-Lu Zhou， Xiao-Gang Wen， Quantum Information Meets Quantum Matter： From Quantum Entanglement to Topological Phase in Many-Body Systems， New York： Springer， 2016，p.325.

在量子世界“信息即物質(zhì)”為能量—頻率關(guān)系E＝hf所暗示②Ibid.，p.334.。根據(jù)量子論，頻率即能量，用公式表示就是E＝hf，其中E是能量，f是頻率，h是普朗克常數(shù)。根據(jù)相對(duì)論，能量即質(zhì)量，用公式表示就是愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2，其中E是能量，m是質(zhì)量，c是光速。這就意味著頻率、能量和質(zhì)量等價(jià)。頻率是信息的一個(gè)屬性，能量和質(zhì)量又是物質(zhì)的屬性。因此，信息與物質(zhì)“兩極相通”。這是量子理論的本質(zhì)。這種新穎的觀點(diǎn)代表著看待我們世界的一種新方式，迄今并不為大多數(shù)人所接受。

人們的慣常思維是：信息都需要有一個(gè)物質(zhì)載體，物質(zhì)攜帶著信息，所以信息是物質(zhì)的性質(zhì)，而不是物質(zhì)本身。然而，量子理論改變了存在的觀念，模糊了信息與物質(zhì)的差別。在普朗克尺度下的量子世界，一切都是量子化、信息化的存在。量子比特作為量子信息的最小結(jié)構(gòu)單元，具有長程糾纏特性，可以形成量子拓?fù)湮镔|(zhì)態(tài)，表面看來，拓?fù)湮飸B(tài)量子糾纏和基本粒子的起源毫無關(guān)系，但實(shí)際上它們是完完全全聯(lián)系在一起的。規(guī)范玻色子和費(fèi)米子都來源于形成弦網(wǎng)空間的量子比特。量子物質(zhì)如電子、質(zhì)子等說到底也是從量子化、信息化的量子比特中產(chǎn)生出來的。

因此，說在量子世界“信息即物質(zhì)”也就意味著，那些描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程，如麥克斯韋方程（描述光子）、楊—米爾斯方程（描述膠子和W/Z玻色子），以及狄拉克/外爾方程（描述電子、夸克、中微子），都能從量子比特產(chǎn)生出來。根據(jù)量子場論，基本粒子（即物質(zhì)）都是由量子場論中的規(guī)范場和反對(duì)易場描述的，現(xiàn)在我們?cè)噲D說所有這些非常不同的量子場都能從量子比特中產(chǎn)生出來。這可能嗎？為了解決這一疑惑，我們需要識(shí)別量子比特?；蛘f量子比特以太的微觀結(jié)構(gòu)，即空間的微觀結(jié)構(gòu)是什么？什么樣的微觀結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生滿足麥克斯韋方程，狄拉克方程和愛因斯坦方程的波？

現(xiàn)代物理學(xué)的研究表明，我們的空間不但能攜帶引力波和電磁波，還能攜帶電子波、夸克波、膠子波，以及與所有基本粒子相對(duì)應(yīng)的波，因此我們的空間的微觀結(jié)構(gòu)一定非常豐富。這么豐富的微觀結(jié)構(gòu)，量子比特以太是否擔(dān)負(fù)著產(chǎn)生基本粒子的重任？在凝聚態(tài)物質(zhì)物理學(xué)中，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的發(fā)現(xiàn)把物理學(xué)家?guī)肓艘粋€(gè)高度糾纏的多體系統(tǒng)的新世界。在這個(gè)新世界，當(dāng)強(qiáng)糾纏變成長程糾纏時(shí)，這些系統(tǒng)就會(huì)擁有一種新的序—拓?fù)湫颍碇碌奈镔|(zhì)態(tài)。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在拓?fù)湫驊B(tài)中的波（激發(fā)）很不尋常：它們能成為滿足麥克斯韋方程、楊—米爾斯方程或狄拉克/外爾方程的波。規(guī)范場是長程糾纏的起伏。量子場方程源于量子比特的運(yùn)動(dòng)。這樣，不可能就變成了可能：所有基本粒子都能從長程糾纏的量子比特以太中涌現(xiàn)。①Bei Zeng， Xie Chen， Duan-Lu Zhou， Xiao-Gang Wen， Quantum Information Meets Quantum Matter： From Quantum Entanglement to Topological Phase in Many-Body Systems， p.336.多體系統(tǒng)里的量子糾纏及其導(dǎo)致的量子拓?fù)湮飸B(tài)是基本粒子、時(shí)空、引力的起源。

對(duì)多體系統(tǒng)的量子糾纏的研究（即對(duì)拓?fù)湮飸B(tài)的研究），可以說是第二次量子革命的重要內(nèi)容。根據(jù)弦網(wǎng)理論，我們的真空是一個(gè)有弦網(wǎng)結(jié)構(gòu)（長程糾纏）的量子比特海。弦的密度波就是光波（電磁波），弦的端點(diǎn)正好是電子，電子和電磁有相互作用，這個(gè)相互作用正好跟弦的端點(diǎn)和它的密度的相互作用完全一樣，完全能用弦網(wǎng)理論描寫。除此之外，不僅電磁相互作用在里面，弱相互作用、強(qiáng)相互作用全在里面，都起源于有弦網(wǎng)結(jié)構(gòu)的量子比特海。就連弱相互作用的手征性，也能起源于有弦網(wǎng)結(jié)構(gòu)的量子比特海?，F(xiàn)在唯一解釋不了的就是引力。量子糾纏和弦網(wǎng)凝聚理論可以具體解釋基本粒子的起源和統(tǒng)一，可以把基本粒子和相互作用（除了引力之外）全部統(tǒng)一在一起。這是一個(gè)重要的觀念變革。

需要指出，在弦網(wǎng)理論中，處于理論中心的不是“弦網(wǎng)”，而是量子比特，“弦網(wǎng)”只是用來描寫量子比特的長程糾纏的形式，或說只是用來描述量子比特在基態(tài)如何組織的一個(gè)名詞。量子比特和長程糾纏形成量子拓?fù)湮飸B(tài)，可以演生出宇宙萬物，但量子比特并不是基本粒子更小的基本構(gòu)件，不是空間本身的基本構(gòu)件。許許多多量子比特遍布整個(gè)空間，就像纖維組成的弦狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成和宇宙一樣大的海洋。這個(gè)量子比特海的波動(dòng)渦旋給出了各種各樣的基本粒子，而不是說這些基本粒子是由量子比特組成的。其中，規(guī)范玻色子對(duì)應(yīng)弦網(wǎng)的集體起伏的波，費(fèi)米子對(duì)應(yīng)弦的端。這是演生的觀 念。

在這樣一種新思路下，組織結(jié)構(gòu)就是更重要的?？紤]組織結(jié)構(gòu)會(huì)使我們對(duì)自然界的基本性質(zhì)有更深刻的理解，這跟以往的思路考慮物質(zhì)的組分很不同。二者的區(qū)別就好比觀察一根繩子時(shí)，是看它由什么分子構(gòu)成的，還是看這根繩子的紐結(jié)結(jié)構(gòu)是什么。以往的思路看重基本構(gòu)件，屬于還原論。而新思路看重組織結(jié)構(gòu)（序），屬于演生論。沿著新思路，量子比特就擔(dān)負(fù)著統(tǒng)一信息與物質(zhì)的重任。量子長程糾纏即弦網(wǎng)理論的深層內(nèi)涵是信息和物質(zhì)的統(tǒng)一。②文小剛：《物理學(xué)的第二次量子革命》，載《物理》2015年第4期，第262—264頁。這是隨著量子科學(xué)的發(fā)展人類對(duì)物理世界的新認(rèn)識(shí)。

四、量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論：量子世界的實(shí)在圖像

弦網(wǎng)凝聚理論和“萬物源于糾纏的量子比特”思想為我們提供了一種理解量子世界的形而上學(xué)基礎(chǔ)?；诖耍覀兛梢越?gòu)一種量子世界的信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論：量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論。①關(guān)于量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論的說明，可以參見Terrell Ward Bynum， On the Possibility of Quantum Informational Structural Realism， pp.123—139。在這個(gè)實(shí)在論圖像中，我們?cè)诒倔w論承諾上支持一種最小的量子結(jié)構(gòu)對(duì)象，在認(rèn)識(shí)論上給出對(duì)這些結(jié)構(gòu)對(duì)象的一種量子信息解釋。因此，這里面包括兩個(gè)層次，第一個(gè)是認(rèn)識(shí)論上的：對(duì)于量子世界，我們能知道什么？我們知道的是“量子信息結(jié)構(gòu)”，即通過對(duì)量子結(jié)構(gòu)對(duì)象的信息解釋，我們知道的是量子實(shí)在的結(jié)構(gòu)屬性。第二個(gè)是本體論上的：給定我們知道的是量子實(shí)在的結(jié)構(gòu)屬性，我們能合理地假定外部世界中存在什么？那就是量子信息結(jié)構(gòu)對(duì)象，一種由量子比特和長程糾纏形成的具有量子拓?fù)湫蚪Y(jié)構(gòu)的原初量子實(shí)體，它們是宇宙中任何結(jié)構(gòu)實(shí)體存在的基 礎(chǔ)。

這樣，量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論就給出了宇宙中存在一種原初量子結(jié)構(gòu)對(duì)象的形而上學(xué)預(yù)設(shè)，它們是所有可能世界（包括我們的世界）的終極結(jié)構(gòu)的一部分（宇宙中也可能有其他我們永遠(yuǎn)不可知的東西），它們作為所有可能世界中實(shí)在的潛在結(jié)構(gòu)的組成部分，在一定意義上是超驗(yàn)的、不依賴于人的心智，我們根本感知不到它們的存在，現(xiàn)有科學(xué)儀器也探測不到它們的直接存在。我們只能通過我們建構(gòu)的關(guān)于實(shí)在的認(rèn)識(shí)論模型來讀取或闡釋它們。但它們必然存在，這樣才可能確保宇宙中任何結(jié)構(gòu)實(shí)體在根本上存在。這些原始量子結(jié)構(gòu)對(duì)象作為所有可能世界中最原始的東西，作為任何可能世界中任何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，自然也是一種建構(gòu)性的客體，它們會(huì)隨著主體認(rèn)識(shí)的增加而重建。

以長程糾纏為例，長程量子糾纏是一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的現(xiàn)象，但物理學(xué)家以前沒有意識(shí)到有這種現(xiàn)象，因而也就沒有描摹它的語言?，F(xiàn)在物理學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，長程量子糾纏不僅存在，它還有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在真的沒有語言能描述這些不同的結(jié)構(gòu)。但這些結(jié)構(gòu)很重要，所以我們要發(fā)明新語言，科學(xué)的語言就是數(shù)學(xué)。這個(gè)數(shù)學(xué)目前還在發(fā)展之中。為了研究多體系統(tǒng)中的量子糾纏，需要把高維范疇理論從數(shù)學(xué)引入到物理中去。一個(gè)簡單系統(tǒng)的量子糾纏自然用不到那么高深的數(shù)學(xué)，而復(fù)雜系統(tǒng)（又叫“多體系統(tǒng)”），由于很多東西可以糾纏在一起，因此它才有長程量子糾纏現(xiàn)象，這種長程糾纏變得非常復(fù)雜，就要靠新的數(shù)學(xué)理論來闡明。

在期待新的數(shù)學(xué)理論產(chǎn)生出來以前，物理學(xué)家并沒有停止科學(xué)探索的步伐。近年來科學(xué)研究表明，通過制造一種定向的弦網(wǎng)液態(tài)，物理學(xué)家確實(shí)能創(chuàng)造一種人工的真空，一種能產(chǎn)生物質(zhì)（如人工光子和電子等基本粒子）的人工的（量子比特）世界。①Bei Zeng， Xie Chen， Duan-Lu Zhou， Xiao-Gang Wen， Quantum Information Meets Quantum Matter： From Quantum Entanglement to Topological Phase in Many-Body Systems， p.349.在這個(gè)人工的量子比特世界，量子拓?fù)湫蚝烷L程糾纏產(chǎn)生了新的量子物質(zhì)態(tài)。這就表明，科學(xué)研究已可以模擬“萬物源于量子比特”的思想實(shí)驗(yàn)，量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論所支持的本體論承諾具有可以檢驗(yàn)的科學(xué)性和實(shí)踐意義。在物質(zhì)存在的最深層次，宇宙中存在的原初量子實(shí)體及其形成的巨大的原初量子比特海，解釋了我們的宇宙中何以有可以同時(shí)表示0和1以及0和1之間的無限數(shù)集的量子信息—量子比特—物理實(shí)體的存在。

長程糾纏量子比特的存在也意味著，量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論不是一種數(shù)字本體論。數(shù)字本體論倡導(dǎo)宇宙是一臺(tái)巨大的數(shù)字計(jì)算機(jī)，從根本上是由數(shù)字，而不是由物質(zhì)或能量組成，實(shí)物作為復(fù)雜的次級(jí)物顯現(xiàn)；實(shí)在的終極性不是連續(xù)隨機(jī)的，而是顆粒化決定論的。這是一種形而上學(xué)一元論。②Luciano Floridi， The philosophy of Information， Oxford： Oxford University Press，2011， p.319.在量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論的終極實(shí)在中保持不變的既不是它的數(shù)字特性，也不是它的模擬特性，而是產(chǎn)生數(shù)字實(shí)在或模擬實(shí)在的量子拓?fù)湫蚝烷L程糾纏結(jié)構(gòu)屬性，這些量子拓?fù)湫蚝筒蛔兊慕Y(jié)構(gòu)屬性也才是科學(xué)最感興趣的內(nèi)容。因此，從一個(gè)固定的物的本體論轉(zhuǎn)向一個(gè)量子結(jié)構(gòu)對(duì)象的本體論似乎是合理的，因?yàn)榍罢吆茈y避免數(shù)字/分立與模擬/連續(xù)的二擇一，后者則與這種二分不相關(guān)。③Ibid.， p.334.

既然數(shù)字與模擬的二分不適用于自然的形而上學(xué)圖景，實(shí)在本身的特征可能既不是數(shù)字的也不是模擬的，而是兩者的統(tǒng)一，因此尋求調(diào)和數(shù)字本體論和模擬本體論即粒子和場本體論的最小公分母就成了克服這個(gè)二分困境的重要使命。量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論通過給出量子結(jié)構(gòu)對(duì)象的最小本體論承諾和對(duì)這些量子結(jié)構(gòu)對(duì)象的信息解釋，旨在克服這個(gè)二分困境，融合本體結(jié)構(gòu)實(shí)在論和認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)在論，有益地推進(jìn)了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)在論。

簡言之，量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論以量子比特的長程糾纏和量子拓?fù)湮飸B(tài)的客觀存在為基礎(chǔ)，支持宇宙中的原初量子實(shí)體是一種由長程糾纏的量子比特組成的量子拓?fù)湮飸B(tài)。在本體論承諾上，支持原初量子實(shí)體的客觀存在性。在認(rèn)識(shí)論上，支持原初量子實(shí)體的可知性，獲悉了原初量子實(shí)體的結(jié)構(gòu)屬性，也就認(rèn)識(shí)了它的本質(zhì)特征。重要的是原初量子實(shí)體的長程糾纏結(jié)構(gòu)和量子拓?fù)湮镄越忉屃肆孔邮澜绲纳衿?，回答了我們宇宙中可以同時(shí)表示0和1以及0和1之間的無限數(shù)集的量子信息實(shí)體的存在性問題。

五、結(jié)語

21世紀(jì)是量子信息和量子計(jì)算引領(lǐng)世界高科技發(fā)展潮流的時(shí)代，也是新科學(xué)哲學(xué)推陳出新、大膽創(chuàng)新的時(shí)代?？茖W(xué)哲學(xué)研究工作者有責(zé)任和使命擔(dān)當(dāng)探求量子信息和量子計(jì)算前沿領(lǐng)域的哲學(xué)問題，從本體論、認(rèn)識(shí)論和方法論層面深化對(duì)量子世界的認(rèn)識(shí)。量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論作為對(duì)原初量子實(shí)體的一種信息結(jié)構(gòu)實(shí)在的新探討，旨在建構(gòu)一種量子世界中信息與物質(zhì)在本體論上統(tǒng)一，在認(rèn)識(shí)論上通過量子信息實(shí)在的結(jié)構(gòu)特征認(rèn)識(shí)量子物質(zhì)世界本質(zhì)存在的科學(xué)實(shí)在論。

誠然，我們對(duì)于物理世界客觀規(guī)律和本質(zhì)特征的把握離不開描摹它的有效理論，而且時(shí)常會(huì)陷入理論沒有直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的形而上學(xué)思辨層面。“萬物源于量子比特”“量子比特和長程糾纏一起形成量子拓?fù)湮飸B(tài)，孕育出宇宙萬物包括時(shí)空矩陣?！边@些具有前瞻性的形而上學(xué)思考代表著物理學(xué)家統(tǒng)一物質(zhì)與信息的一種深層愿望，也是當(dāng)前物理學(xué)家在閱讀自然這本大書時(shí)，向我們展示的物理世界演化發(fā)展的冰山一角。

初看起來，量子信息和量子物質(zhì)的關(guān)系似乎十分脆弱。信息不是很有質(zhì)感，它更像是一個(gè)概念而不是某種東西。量子信息甚至比經(jīng)典信息更讓人捉摸不定。相反，物質(zhì)是固體材料，堅(jiān)實(shí)而可靠。量子物質(zhì)尤其堅(jiān)固：量子力學(xué)保證了構(gòu)成自然的建筑磚塊——基本粒子和原子的穩(wěn)定性。遵循經(jīng)典電磁定律構(gòu)造的氫原子會(huì)在不到萬億分之一秒的輻射大爆發(fā)中爆炸，而遵循量子力學(xué)定律構(gòu)造的氫原子可以持續(xù)存在宇宙的年齡。物質(zhì)似乎是關(guān)于能量和穩(wěn)定性的，但當(dāng)討論物質(zhì)和物質(zhì)的性質(zhì)時(shí)，量子信息是重要的，而且非常重要。

如今，量子信息和量子物質(zhì)的關(guān)系正在為量子信息理論和實(shí)驗(yàn)研究所揭示。量子信息為理解量子物質(zhì)提供了各種各樣的技術(shù)。這個(gè)領(lǐng)域最為重要的一個(gè)貢獻(xiàn)是為糾纏這一神奇的量子關(guān)聯(lián)形式提供了一個(gè)詳細(xì)的圖像。糾纏最初進(jìn)入量子力學(xué)是作為反直覺的量子現(xiàn)象的一個(gè)特別糟糕的反例出現(xiàn)的，愛因斯坦稱之為“鬼魅式的遠(yuǎn)距離作用”。量子信息理論表明糾纏普遍存在，并不奇異。糾纏強(qiáng)調(diào)共價(jià)鍵的穩(wěn)定性，糾纏是固態(tài)系統(tǒng)的基態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵特征，甚至空間的真空也是糾纏的。事實(shí)上，霍金的黑洞輻射能被看作一個(gè)特別奇異的真空糾纏形式。①S.W.Hawking， “Black hole explosions？”， Nature， Vol.248， 1974， pp.30—31.在過去的幾十年間，量子信息理論已超越了它早期作為對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)給出一個(gè)深?yuàn)W研究的作用，成為所有形式的量子物質(zhì)科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。

隨著量子信息理論與量子物質(zhì)理論的關(guān)系變得更詳盡和更密切，量子信息理論有可能澄清物理學(xué)的一些深層奧秘。例如，糾纏與霍金輻射的關(guān)聯(lián)暗示量子信息可能在理解量子引力上起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，量子信息理論也表明了在量子物質(zhì)中各種各樣的基本實(shí)驗(yàn)，諸如宏觀量子相干的證明。在量子物質(zhì)的輸運(yùn)理論和量子信息理論之間也已出現(xiàn)了沒有預(yù)期到的關(guān)聯(lián)：跳躍電子可能在識(shí)別象棋或圍棋的獲勝策略上比經(jīng)典象棋或圍棋更有效；此外，由于激子通過光心有效地執(zhí)行一個(gè)量子計(jì)算代數(shù)，因而會(huì)提升光合作用的效率。最后，如果我們能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼的量子模擬觀點(diǎn)，我們可能有朝一日不但能模擬電子和基本粒子的行為，而且能模擬宇宙本身的行為。①S.Lloyd， “Computational Capacity of the Universe”， Phys.Rev.Lett.Vol.88， No.23， 2002，pp.237901-1—237901-4.模擬整個(gè)宇宙需要一臺(tái)和宇宙一樣大的量子計(jì)算機(jī)的事實(shí)，可能不會(huì)成為人類探索宇宙奧秘前行路上的障 礙！