量子纠缠与量子信息结构实在论

李宏芳

21世纪量子信息和量子计算科学技术发展迅猛。科学家的研究深入到微观量子比特世界，开始探测和操纵量子比特的行为。“万物源于量子比特”（it from qubit）成为物理学家探究宇宙万物包括时空矩阵起源的形而上学基础。

根据这一形而上学基础，在量子世界，空间是量子比特的“海洋”，基本粒子是量子比特的波动涡旋，基本粒子的性质和规律起源于量子比特海中量子比特的组织结构，即量子比特的序。量子真空作为量子比特海中一种很特殊的、高度纠缠的物质态—量子拓扑物态，孕育出宇宙万物包括时空矩 阵。

这时，量子比特海中的波就可以是光波，量子比特海中的“涡旋”就可以是电子。这说明光子和电子是可以用量子比特统一描写的。这一理论的深层内涵是信息和物质的统一。量子比特和长程纠缠形成的弦网凝聚结构，统一了量子世界中的信息与物质，在哲学上孕育出量子信息结构实在论。

一、量子纠缠与量子退相干

在量子世界，纠缠效应普遍存在。纠缠是量子力学的典型特征①纠缠（entanglement）概念1935年由薛定谔（E.Schrödinger）提出，他写道“纠缠是量子力学的典型特征，加强了与经典思想线路的整个分离。”参见E.Schrödinger “Discussion of Probability Relations Between Separated Systems”.Mathematical Proceedings of Cambridge Philosophical Society.Vol.31， Issue 04， 1935，p.555。另见成素梅：《改变观念：量子纠缠引发的哲学革命》，北京：科学出版社2020年版，第120—123页。，也是量子世界诸多神奇现象产生的本质，包括测量和退相干。正是纠缠和测量使得一个物体的量子属性瞬时传递给另一个量子物体，表现出量子世界物质属性神奇的非局域关联。例如，1935年爱因斯坦提到的“鬼魅式的远距离相互作用”是量子纠缠；同年薛定谔设计的死活叠加的猫是宏观与微观的纠缠；作为量子信息理论的一个神奇应用，量子隐形传态②在量子隐形传态中，原初物体的质料（物质、能量）保留在出发点，而它的整个结构（即它的物理态）消失了，这个结构呈现在了另一端物体的身上，在终端出现了与原初物体相同的一个物体。即量子隐形传态不是隐形传送整个物体本身，比如一本书或一页纸，也不是隐形传送一个物体的质量或能量，物体本身是不经过空间任何中间媒介点的，而是通过制备该物体的纠缠态，并对其中要隐形传送的量子态进行联合测量，实现了对该物体的整个结构的隐形传送。由于纠缠的量子态包含着重要的信息，是一切物质存在的本质和创造原则。因此，在量子隐形传态中，我们绝不只是隐形传送了物体的某种近似的描述，实际上是通过隐形传送它的量子态而传送了物体的全部实质内容。详见Nicolas Gisin，Quantum Chance：Nonlocality， Teleportation and Other Quantum Marvels，Switzerland：Springer，2014，pp.68—69。也是利用预先共享的EPR纠缠对移动量子态，实现了量子信息的远程传输。没有量子纠缠的客观存在和科学家对量子纠缠的深刻认知，就没有我国“墨子号”量子通信卫星的成功实现。

量子世界的这种非局域关联，可能某种意义上是从我们的外时空涌现出来的，因此不能用我们时空中的叙事来说明。③Nicolas Gisin，Quantum Chance： Nonlocality， Teleportation and Other Quantum Marvels，Switzerland：Springer，2014，pp.50—51.换言之，纠缠的源头可能并不在我们的时空之中，量子属性通过纠缠传输实际上发生在我们的时空之外。纠缠实则由宇宙形成之前量子比特海中量子泡沫媒介中的相互关联组成。量子泡沫是对普朗克长度量级下量子振荡的定性描述。在这个尺度，原子和粒子世界光滑如镜的时空让位于沸腾不已的处于混沌状态的时空几何，长度、时间的通常意义在此消失了。因此，两个物体无论在我们的经典世界相隔得多么远都没有关系，因为信息根本就不需要通过我们的时空传输。这就消除了量子隐形传态的“奇异性”或“鬼魅性”，并且与狭义相对论不相矛盾，爱因斯坦的光速限制不适用于外时空。

纠缠很像在时空外部的超链接之类的东西，它们把量子实体的叠加态联结在一起。④Terrell Ward Bynum，On the Possibility of Quantum Informational Structural Realism，Minds & Machines，Vol.24， Issue 1， 2014， p.136.当测量一个纠缠实体时，这个实体就退相干，与之纠缠的另一个实体不必接受在时空中传递的任何消息，就能瞬间以相反的方式退相干。①退相干即“波函数坍缩效应”，指的是原本连续分布的波函数概率幅，在经历“观测”之后瞬间退变为离散分布于某一特定点的函数的现象。退相干和量子纠缠是两个相关的问题。因此，量子计算机的研制需要克服量子世界的退相干效应。但也正是量子退相干，使得经典物体的存在现实化，让经典物体定域在特定的位置拥有特定的属性，我们可以观察和测量它们，保证了我们经典世界的确定存在。

而且，退相干从我们的量子宇宙中无穷多物理可能性中“抽取”或“创造”了经典物体，这个“抽取”过程是真正随机的。正如量子信息物理学家蔡林格（Anton Zeilinger）所说，“此刻的这个世界不会唯一地决定以后几年、几分钟，甚至下一秒的世界。世界是开放的。我们只能给出单个事件发生的概率，这并不只是因为我们的无知。许多人认为这种随机性仅限于微观世界，这不是真的，因为（随机的）测量结果本身可能有宏观影响。”②A.Zeilinger， Dance of the Photons： From Einstein to Teleportation， New York： Farrar， Straus， and Giroux，2010， p.265.正是这种随机性，成就了我们现在所拥有的世 界。

这就涉及一个问题，如果宇宙中所有自然物都是由同时处于多个不同状态的量子比特组成，我们是否就能期望任何一个物理实体都可能同时处于多个不同的状态？通常的信念是：这只对于微小的亚原子实体为真，对于更大的实体不为真。但实际的情形是，量子属性不局限于微小的亚原子粒子。有许多宏观物体明显地展示量子属性。例如，一段由数百亿个原子组成的氟化锂中有纠 缠。

人们通常把世界分为两种实体：本质上是量子的微小粒子和遵从经典物理定律包括相对论的更大的“宏观”物体，这只是对物理世界的一种方便的分割。当代物理学家研究表明，所有尺度都是量子的世界，经典世界只是量子世界的一个有用的近似。③Vlatko Vedral， “Living in a Quantum World （cover story） ”， Scientific American， Vol.304， Issue 6，2011， pp.38—40.这个有用的近似解释了在我们的宇宙中何以量子王国和经典王国一起存在，并且不断相互作用。经典王国是退去相干性的现实存在。

随机或确定，潜存或实存，就好像是一枚硬币的两面，共存于我们的宇宙。因此，在我们的宇宙中，实际上有两种不同而又密切相关的存在形态：一种是作为波的量子存在，即一束束叠加的量子可能性；另一种是作为一个个特定物体的经典存在，它们定域在时空的一个特定位置，具有经典属性，能被我们通过各种方式观察和测量。在这个经典和量子共存的世界，经典的可测量实体来源于一个连续膨胀的量子比特序列，这些量子比特通过创造一个无穷大的物理可能叠加集，一起建立了物理上的可能世界。从这个无穷大，始终在膨胀的可能叠加集，信息共享产生了处于特定位置的日常经典物体，具有可观察和可测量的性质，这是一个量子退相干的过程。

换言之，当人类或其他作用动因与量子实体相互作用进而与它们交换信息时，相互作用会随机地把某一物理可能性转化为现实的经典物体。在这个意义上，就是美国物理学家惠勒（John Wheeler）所说的：“这是一个参与的宇宙。”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.在这个宇宙中，人的活动或其他因果动因的作用现实化了经典物体。

二、量子比特海与宇宙万物的生成

惠勒是一位具有开拓性的物理学家，他认为量子理论是我们认识自然的最深层的组成部分，提出了实在的最深层的一个大秘密。物理学家应该探究量子世界的秘密并解答一些大的哲学问题。他提出的三大哲学问题是：“物理存在如何产生？”“量子如何产生？”“在众多观测者参与的记录中，为何只产生出一个世 界？”

惠勒的一个大胆猜想是：“万物源于比特（it from bit）。”②Ibid.即所有物理世界的事物、所有的物理实体、实在，包括所有的粒子、所有的力场，甚至时空连续统本身，它们的行为方式和存在本身，都产生于比特，一种二进制的选择（0或1），对应于探测器发出的“是”或“否”的回答。因此，它们最终必须遵循信息理论描述。这意味着古希腊自然哲学家孜孜以求的物质本源，在惠勒的现代物理学的形而上学思考中归于信息。信息成为物质世界的本质存在，成为一切物理存在的基 础。

惠勒的思想影响深远。从1990年他提出“万物源于比特”的思想之后，许多物理学家都朝着实现这一预言的方向努力。但和早期的“以太学说”一样，惠勒的这一观念虽然极富哲理，但并不成功。这里涉及两类粒子的异质性。比特（bit）是玻色性的，玻色性的粒子只负责传递各种相互作用。万物（即物理存在）包括所有的物理实体、物理实在，比如电子（it）却是费米性的。费米性的粒子负责组成物质。两类是不同的基本粒子。如何从玻色性的东西中得出费米性的东西来，长期以来，物理学家并不知道。因为玻色性的东西跟玻色性的东西放在一起还是玻色性的东西，无论如何不会产生出费米性的东西来。根据物理学家文小刚的研究，“不成功的原因是没有考虑到量子的长程纠缠。如果比特只有短程纠缠，自然就不能从玻色性的比特中推出满足麦克斯韦方程的光子、费米性的电子来”。“但如果比特有一种特殊构型的长程纠缠，变成量子比特，就可以从这一具有长程纠缠的量子比特中得到所有这一切粒子了。”①文小刚：《物理学的第二次量子革命》，载《物理》2015年第4期第265页。

“万物源于比特”中的“比特”原来是“量子比特”，这是对惠勒观点的一个重要推进。事实上，早在2006年麻省理工学院物理学家劳埃德（Seth Lloyd）就从量子信息的视角提出了“万物源于量子比特”（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.。根据这一思想，宇宙最初是一个巨大的量子比特海洋，量子比特是所有物理实在，包括所有粒子、所有力场，甚至是时空连续体本身，得以存在的源泉和基础，即量子比特对宇宙万物的生成负责。因此，量子比特一定先于我们宇宙中的其他事物而存在，它们一定参与了宇宙大爆炸。正如劳埃德所说，“大爆炸也是（量子）比特爆炸”③Ibid.， p.46.。

给定这一假设，现在的形而上学思想实验解释了我们的宇宙的诞生和性质：最初只有原始量子比特海或说量子比特源。我们宇宙的诞生即大爆炸是这个量子比特海中的一个量子泡沫泡的形成和膨胀。最初，原始量子比特海中的量子比特与这个量子泡沫泡疾速地相互作用，产生额外的量子泡沫和这个量子泡沫泡的爆炸性膨胀。在大爆炸期间，量子定律和量子泡沫一起产生基本粒子和时空矩阵。随着这个疾速膨胀的量子泡沫泡变冷，各种“标准模型”的量子粒子开始形成，包括最终的希格斯玻色子。随着希格斯玻色子的到来，膨胀的速率激剧下降，但并不完全消除。随着原始量子比特海产生越来越多的量子泡沫，我们的宇宙继续加速膨胀，或许增加的量子泡沫是“暗能量”，它们加速了我们的宇宙的膨 胀。

量子泡沫是从原始量子比特海中形成的实在的最小单元，或者说是实在的雏形。量子泡沫即量子真空也是我们知道的所有事物甚至是时空矩阵的来源地。正如物理学家克洛斯（Frank Close）所说：“当查看原子尺度时，真空是活力、能量和粒子沸腾的海洋。”④Frank Close， Nothing： A Very Short Introduction， Oxford： Oxford University Press，2009， p.94.“物理学家的一个普遍共识是：万物包括时空矩阵等等来源于量子真空，沸腾的真空为理解自然万物创生于虚空—量子泡沫提供了深刻的含意。”“在宏观距离上出现的大量不同种类的现象，诸如我们的日常经验，是由我们存在其中的量子真空即量子泡沫控制的。”⑤Ibid.， p.106， p.122.

这样，经典世界中的实体包括时空和引力就可以理解为是由潜在的量子真空产生的，或许这其中还受原始量子比特海的协助。但是，经典世界的“自然律”诸如爱因斯坦的光速要求仍然适用于经典王国，而“鬼魅式的远距离相互作用”则是由我们时空之外的量子纠缠高维时空产生的。而且，鉴于宇宙在快速地记录和处理信息方面，无异于一台我们现今正想方设法研制的量子计算机，一个量子数据比特结构，或许我们还能把一个量子实体的每个叠加态，阐释为很像是量子计算机中一个子程序那样的东西，当它们从一个测量或其他物理作用那里接收到一个适当的信息位时，它们就被激活，呈现为一个分立的状态。①Seth Lloyd， Programming the Univerrse： A Quantum Computer Scientist Takes on the Universe， p.154.这就从量子计算的视角阐释了量子测量的“波包塌缩”或说“量子向经典”的跃迁。

从“万物源于比特”到“万物源于量子比特”，物理学家对物质世界本原的探究超越了我们的经验直观，这些形而上学假说能很好地解释量子世界的神奇现象，并给出了可以为实验进一步验证的预言，因而其形而上学的意义是不言而喻的。如果在物理存在的最深层次，我们宇宙中的每个物体和过程都是一个量子比特结构，它们就会展示神奇的量子特征，诸如真正内禀的随机性、叠加和纠缠。

近年来，随着叠加、纠缠、退相干和量子隐形传态等神奇的量子现象获得科学证实，它们对传统的哲学概念基石提出了重要的问题。特别说来，在科学可证实的意义上，由量子比特组成的物体原则上能同时处于许多不同的位置。在合适的条件下，“宇宙中的所有物体都能处于所有可能的状态”②Vlatko Vedral， Decoding reality：The Universe as Quantum Information， Oxford： Oxford University Press，2010，p.122.。最终，这也意味着在实在的最深层次，宇宙是离散性和连续性同时存在的。这些并不仅仅是形而上学猜测，而是科学史上证实最多也是最强有力确证的科学理论—量子力学所要求的东西：量子力学具有波粒二象性。量子世界是连续性与不连续性的统一。正是因为世界有这些确证的科学事实，哲学家才需要重新思考许多基本的哲学概念和范畴的统一性，如存在与虚空、真实与虚拟、实在与潜在、原因与结果、一致与矛盾、知识与思想，等 等。

三、弦网凝聚与量子拓扑物态：信息与物质的统一

“万物不是源于比特”，“万物源于长程纠缠的量子比特”。近年来，物理学家文小刚对凝聚物质物理学的研究，给我们从量子比特的长程纠缠和量子拓扑物态的视角，阐释了万物的起源。根据他的弦网凝聚理论，量子比特存在一种长程纠缠，量子比特和长程纠缠在一起形成一种新的物质态——量子拓扑物态，可以解释基本粒子的起源，有望实现宇宙中四种相互作用力的统一。我们观察到的基本粒子（即物质）只能涌现于长程纠缠的量子比特海或说量子比特以太空间。在这样一幅宇宙万物生成演化的弦网凝聚物理图像中，蕴含着一个非常新颖的观点：在量子世界，信息即物质，信息统一了物质。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“信息即物质”为能量—频率关系E＝hf所暗示②Ibid.，p.334.。根据量子论，频率即能量，用公式表示就是E＝hf，其中E是能量，f是频率，h是普朗克常数。根据相对论，能量即质量，用公式表示就是爱因斯坦的质能方程E＝mc2，其中E是能量，m是质量，c是光速。这就意味着频率、能量和质量等价。频率是信息的一个属性，能量和质量又是物质的属性。因此，信息与物质“两极相通”。这是量子理论的本质。这种新颖的观点代表着看待我们世界的一种新方式，迄今并不为大多数人所接受。

人们的惯常思维是：信息都需要有一个物质载体，物质携带着信息，所以信息是物质的性质，而不是物质本身。然而，量子理论改变了存在的观念，模糊了信息与物质的差别。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。量子比特作为量子信息的最小结构单元，具有长程纠缠特性，可以形成量子拓扑物质态，表面看来，拓扑物态量子纠缠和基本粒子的起源毫无关系，但实际上它们是完完全全联系在一起的。规范玻色子和费米子都来源于形成弦网空间的量子比特。量子物质如电子、质子等说到底也是从量子化、信息化的量子比特中产生出来的。

因此，说在量子世界“信息即物质”也就意味着，那些描述物质运动的波动方程，如麦克斯韦方程（描述光子）、杨—米尔斯方程（描述胶子和W/Z玻色子），以及狄拉克/外尔方程（描述电子、夸克、中微子），都能从量子比特产生出来。根据量子场论，基本粒子（即物质）都是由量子场论中的规范场和反对易场描述的，现在我们试图说所有这些非常不同的量子场都能从量子比特中产生出来。这可能吗？为了解决这一疑惑，我们需要识别量子比特海或说量子比特以太的微观结构，即空间的微观结构是什么？什么样的微观结构能产生满足麦克斯韦方程，狄拉克方程和爱因斯坦方程的波？

现代物理学的研究表明，我们的空间不但能携带引力波和电磁波，还能携带电子波、夸克波、胶子波，以及与所有基本粒子相对应的波，因此我们的空间的微观结构一定非常丰富。这么丰富的微观结构，量子比特以太是否担负着产生基本粒子的重任？在凝聚态物质物理学中，分数量子霍尔态的发现把物理学家带入了一个高度纠缠的多体系统的新世界。在这个新世界，当强纠缠变成长程纠缠时，这些系统就会拥有一种新的序—拓扑序，代表着新的物质态。物理学家发现在拓扑序态中的波（激发）很不寻常：它们能成为满足麦克斯韦方程、杨—米尔斯方程或狄拉克/外尔方程的波。规范场是长程纠缠的起伏。量子场方程源于量子比特的运动。这样，不可能就变成了可能：所有基本粒子都能从长程纠缠的量子比特以太中涌现。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.多体系统里的量子纠缠及其导致的量子拓扑物态是基本粒子、时空、引力的起源。

对多体系统的量子纠缠的研究（即对拓扑物态的研究），可以说是第二次量子革命的重要内容。根据弦网理论，我们的真空是一个有弦网结构（长程纠缠）的量子比特海。弦的密度波就是光波（电磁波），弦的端点正好是电子，电子和电磁有相互作用，这个相互作用正好跟弦的端点和它的密度的相互作用完全一样，完全能用弦网理论描写。除此之外，不仅电磁相互作用在里面，弱相互作用、强相互作用全在里面，都起源于有弦网结构的量子比特海。就连弱相互作用的手征性，也能起源于有弦网结构的量子比特海。现在唯一解释不了的就是引力。量子纠缠和弦网凝聚理论可以具体解释基本粒子的起源和统一，可以把基本粒子和相互作用（除了引力之外）全部统一在一起。这是一个重要的观念变革。

需要指出，在弦网理论中，处于理论中心的不是“弦网”，而是量子比特，“弦网”只是用来描写量子比特的长程纠缠的形式，或说只是用来描述量子比特在基态如何组织的一个名词。量子比特和长程纠缠形成量子拓扑物态，可以演生出宇宙万物，但量子比特并不是基本粒子更小的基本构件，不是空间本身的基本构件。许许多多量子比特遍布整个空间，就像纤维组成的弦状网状结构，形成和宇宙一样大的海洋。这个量子比特海的波动涡旋给出了各种各样的基本粒子，而不是说这些基本粒子是由量子比特组成的。其中，规范玻色子对应弦网的集体起伏的波，费米子对应弦的端。这是演生的观 念。

在这样一种新思路下，组织结构就是更重要的。考虑组织结构会使我们对自然界的基本性质有更深刻的理解，这跟以往的思路考虑物质的组分很不同。二者的区别就好比观察一根绳子时，是看它由什么分子构成的，还是看这根绳子的纽结结构是什么。以往的思路看重基本构件，属于还原论。而新思路看重组织结构（序），属于演生论。沿着新思路，量子比特就担负着统一信息与物质的重任。量子长程纠缠即弦网理论的深层内涵是信息和物质的统一。②文小刚：《物理学的第二次量子革命》，载《物理》2015年第4期，第262—264页。这是随着量子科学的发展人类对物理世界的新认识。

四、量子信息结构实在论：量子世界的实在图像

弦网凝聚理论和“万物源于纠缠的量子比特”思想为我们提供了一种理解量子世界的形而上学基础。基于此，我们可以建构一种量子世界的信息结构实在论：量子信息结构实在论。①关于量子信息结构实在论的说明，可以参见Terrell Ward Bynum， On the Possibility of Quantum Informational Structural Realism， pp.123—139。在这个实在论图像中，我们在本体论承诺上支持一种最小的量子结构对象，在认识论上给出对这些结构对象的一种量子信息解释。因此，这里面包括两个层次，第一个是认识论上的：对于量子世界，我们能知道什么？我们知道的是“量子信息结构”，即通过对量子结构对象的信息解释，我们知道的是量子实在的结构属性。第二个是本体论上的：给定我们知道的是量子实在的结构属性，我们能合理地假定外部世界中存在什么？那就是量子信息结构对象，一种由量子比特和长程纠缠形成的具有量子拓扑序结构的原初量子实体，它们是宇宙中任何结构实体存在的基 础。

这样，量子信息结构实在论就给出了宇宙中存在一种原初量子结构对象的形而上学预设，它们是所有可能世界（包括我们的世界）的终极结构的一部分（宇宙中也可能有其他我们永远不可知的东西），它们作为所有可能世界中实在的潜在结构的组成部分，在一定意义上是超验的、不依赖于人的心智，我们根本感知不到它们的存在，现有科学仪器也探测不到它们的直接存在。我们只能通过我们建构的关于实在的认识论模型来读取或阐释它们。但它们必然存在，这样才可能确保宇宙中任何结构实体在根本上存在。这些原始量子结构对象作为所有可能世界中最原始的东西，作为任何可能世界中任何结构的基础，自然也是一种建构性的客体，它们会随着主体认识的增加而重建。

以长程纠缠为例，长程量子纠缠是一个现实存在的现象，但物理学家以前没有意识到有这种现象，因而也就没有描摹它的语言。现在物理学家的研究发现，长程量子纠缠不仅存在，它还有很复杂的结构，我们现在真的没有语言能描述这些不同的结构。但这些结构很重要，所以我们要发明新语言，科学的语言就是数学。这个数学目前还在发展之中。为了研究多体系统中的量子纠缠，需要把高维范畴理论从数学引入到物理中去。一个简单系统的量子纠缠自然用不到那么高深的数学，而复杂系统（又叫“多体系统”），由于很多东西可以纠缠在一起，因此它才有长程量子纠缠现象，这种长程纠缠变得非常复杂，就要靠新的数学理论来阐明。

在期待新的数学理论产生出来以前，物理学家并没有停止科学探索的步伐。近年来科学研究表明，通过制造一种定向的弦网液态，物理学家确实能创造一种人工的真空，一种能产生物质（如人工光子和电子等基本粒子）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.在这个人工的量子比特世界，量子拓扑序和长程纠缠产生了新的量子物质态。这就表明，科学研究已可以模拟“万物源于量子比特”的思想实验，量子信息结构实在论所支持的本体论承诺具有可以检验的科学性和实践意义。在物质存在的最深层次，宇宙中存在的原初量子实体及其形成的巨大的原初量子比特海，解释了我们的宇宙中何以有可以同时表示0和1以及0和1之间的无限数集的量子信息—量子比特—物理实体的存在。

长程纠缠量子比特的存在也意味着，量子信息结构实在论不是一种数字本体论。数字本体论倡导宇宙是一台巨大的数字计算机，从根本上是由数字，而不是由物质或能量组成，实物作为复杂的次级物显现；实在的终极性不是连续随机的，而是颗粒化决定论的。这是一种形而上学一元论。②Luciano Floridi， The philosophy of Information， Oxford： Oxford University Press，2011， p.319.在量子信息结构实在论的终极实在中保持不变的既不是它的数字特性，也不是它的模拟特性，而是产生数字实在或模拟实在的量子拓扑序和长程纠缠结构属性，这些量子拓扑序和不变的结构属性也才是科学最感兴趣的内容。因此，从一个固定的物的本体论转向一个量子结构对象的本体论似乎是合理的，因为前者很难避免数字/分立与模拟/连续的二择一，后者则与这种二分不相关。③Ibid.， p.334.

既然数字与模拟的二分不适用于自然的形而上学图景，实在本身的特征可能既不是数字的也不是模拟的，而是两者的统一，因此寻求调和数字本体论和模拟本体论即粒子和场本体论的最小公分母就成了克服这个二分困境的重要使命。量子信息结构实在论通过给出量子结构对象的最小本体论承诺和对这些量子结构对象的信息解释，旨在克服这个二分困境，融合本体结构实在论和认识结构实在论，有益地推进了传统结构实在论。

简言之，量子信息结构实在论以量子比特的长程纠缠和量子拓扑物态的客观存在为基础，支持宇宙中的原初量子实体是一种由长程纠缠的量子比特组成的量子拓扑物态。在本体论承诺上，支持原初量子实体的客观存在性。在认识论上，支持原初量子实体的可知性，获悉了原初量子实体的结构属性，也就认识了它的本质特征。重要的是原初量子实体的长程纠缠结构和量子拓扑物性解释了量子世界的神奇，回答了我们宇宙中可以同时表示0和1以及0和1之间的无限数集的量子信息实体的存在性问题。

五、结语

21世纪是量子信息和量子计算引领世界高科技发展潮流的时代，也是新科学哲学推陈出新、大胆创新的时代。科学哲学研究工作者有责任和使命担当探求量子信息和量子计算前沿领域的哲学问题，从本体论、认识论和方法论层面深化对量子世界的认识。量子信息结构实在论作为对原初量子实体的一种信息结构实在的新探讨，旨在建构一种量子世界中信息与物质在本体论上统一，在认识论上通过量子信息实在的结构特征认识量子物质世界本质存在的科学实在论。

诚然，我们对于物理世界客观规律和本质特征的把握离不开描摹它的有效理论，而且时常会陷入理论没有直接的实验验证的形而上学思辨层面。“万物源于量子比特”“量子比特和长程纠缠一起形成量子拓扑物态，孕育出宇宙万物包括时空矩阵。”这些具有前瞻性的形而上学思考代表着物理学家统一物质与信息的一种深层愿望，也是当前物理学家在阅读自然这本大书时，向我们展示的物理世界演化发展的冰山一角。

初看起来，量子信息和量子物质的关系似乎十分脆弱。信息不是很有质感，它更像是一个概念而不是某种东西。量子信息甚至比经典信息更让人捉摸不定。相反，物质是固体材料，坚实而可靠。量子物质尤其坚固：量子力学保证了构成自然的建筑砖块——基本粒子和原子的稳定性。遵循经典电磁定律构造的氢原子会在不到万亿分之一秒的辐射大爆发中爆炸，而遵循量子力学定律构造的氢原子可以持续存在宇宙的年龄。物质似乎是关于能量和稳定性的，但当讨论物质和物质的性质时，量子信息是重要的，而且非常重要。

如今，量子信息和量子物质的关系正在为量子信息理论和实验研究所揭示。量子信息为理解量子物质提供了各种各样的技术。这个领域最为重要的一个贡献是为纠缠这一神奇的量子关联形式提供了一个详细的图像。纠缠最初进入量子力学是作为反直觉的量子现象的一个特别糟糕的反例出现的，爱因斯坦称之为“鬼魅式的远距离作用”。量子信息理论表明纠缠普遍存在，并不奇异。纠缠强调共价键的稳定性，纠缠是固态系统的基态的一个关键特征，甚至空间的真空也是纠缠的。事实上，霍金的黑洞辐射能被看作一个特别奇异的真空纠缠形式。①S.W.Hawking， “Black hole explosions？”， Nature， Vol.248， 1974， pp.30—31.在过去的几十年间，量子信息理论已超越了它早期作为对量子力学的基础给出一个深奥研究的作用，成为所有形式的量子物质科学的一个重要组成部分。

随着量子信息理论与量子物质理论的关系变得更详尽和更密切，量子信息理论有可能澄清物理学的一些深层奥秘。例如，纠缠与霍金辐射的关联暗示量子信息可能在理解量子引力上起着关键作用。同时，量子信息理论也表明了在量子物质中各种各样的基本实验，诸如宏观量子相干的证明。在量子物质的输运理论和量子信息理论之间也已出现了没有预期到的关联：跳跃电子可能在识别象棋或围棋的获胜策略上比经典象棋或围棋更有效；此外，由于激子通过光心有效地执行一个量子计算代数，因而会提升光合作用的效率。最后，如果我们能继续实现费曼的量子模拟观点，我们可能有朝一日不但能模拟电子和基本粒子的行为，而且能模拟宇宙本身的行为。①S.Lloyd， “Computational Capacity of the Universe”， Phys.Rev.Lett.Vol.88， No.23， 2002，pp.237901-1—237901-4.模拟整个宇宙需要一台和宇宙一样大的量子计算机的事实，可能不会成为人类探索宇宙奥秘前行路上的障 碍！