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。科學(xué)家的研究深入到微觀量子比特世界，開始探測(cè)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(zhǎng)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(cè)量和退相干。正是糾纏和測(cè)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(cè)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(guó)“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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)”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(cè)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(cè)量結(jié)果本身可能有宏觀影響。”②A.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(guó)和經(jīng)典王國(guó)一起存在，并且不斷相互作用。經(jīng)典王國(guó)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(cè)量。在這個(gè)經(jīng)典和量子共存的世界，經(jīng)典的可測(cè)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(cè)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(guó)物理學(xué)家惠勒（John Wheeler）所說的：“這是一個(gè)參與的宇宙。”①John 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(cè)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(chǎng)，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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)程糾纏，變成量子比特，就可以從這一具有長(zhǎng)程糾纏的量子比特中得到所有這一切粒子了?！雹傥男偅骸段锢韺W(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(chǎng)，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海或說量子比特源。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?！雹蹻rank 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。”⑤Ibid.， 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(guó)，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(cè)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(cè)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(cè)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)程糾纏，量子比特和長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)論，基本粒子（即物質(zhì)）都是由量子場(chǎng)論中的規(guī)范場(chǎng)和反對(duì)易場(chǎng)描述的，現(xiàn)在我們?cè)噲D說所有這些非常不同的量子場(chǎng)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(zhǎng)程糾纏時(shí)，這些系統(tǒng)就會(huì)擁有一種新的序—拓?fù)湫?，代表著新的物質(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(chǎng)是長(zhǎng)程糾纏的起伏。量子場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。考慮組織結(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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)程糾纏為例，長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)程量子糾纏現(xiàn)象，這種長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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?；瘺Q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(zhǎng)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(chǎng)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(jiǎn)言之，量子信息結(jié)構(gòu)實(shí)在論以量子比特的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chéng)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(zhǎng)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。”這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！