【摘要】量子計(jì)算的發(fā)展印證了作為其理論基礎(chǔ)的量子理論的正確性，但這并不意味著能夠用計(jì)算的術(shù)語(yǔ)或量子信息理論的術(shù)語(yǔ)重新闡述量子力學(xué)的概念基礎(chǔ)，而是需要重新回答“理論是什么”這一基本問(wèn)題。量子理論與實(shí)在不再是符合關(guān)系，而是同構(gòu)關(guān)系。理論的客觀性是通過(guò)對(duì)象與事實(shí)的互塑關(guān)系來(lái)保證的。物理學(xué)家建構(gòu)對(duì)象與解釋事實(shí)是同時(shí)進(jìn)行的，并且是基于理論的，對(duì)象與事實(shí)的客觀性建立在觀察與實(shí)驗(yàn)之基礎(chǔ)上。因此，對(duì)象與事實(shí)在理論與實(shí)在之間扮演了承上啟下的中介作用，量子理論是實(shí)在的映射，是在理解實(shí)在，而不是描述實(shí)在。
【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算 對(duì)象 事實(shí) 理論 科學(xué)哲學(xué)
【中圖分類(lèi)號(hào)】O413-02 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.008
成素梅，上海社會(huì)科學(xué)院哲學(xué)研究所副所長(zhǎng)、研究員，《哲學(xué)分析》雜志主編。研究方向?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)哲學(xué)。主要著作有《量子論與科學(xué)哲學(xué)的發(fā)展》《改變觀念：量子糾纏引發(fā)的哲學(xué)革命》《在宏觀與微觀之間：量子測(cè)量的解釋語(yǔ)境與實(shí)在論》《理論與實(shí)在：一種語(yǔ)境實(shí)在論的視角》等。
2020年12月4日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等人的重大研究成果——成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。自此，借助媒體的強(qiáng)大傳播力，量子計(jì)算這一深?yuàn)W的學(xué)術(shù)問(wèn)題成為了百姓熱議的話題。
這項(xiàng)研究成果開(kāi)創(chuàng)了量子計(jì)算發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位，體現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)在解決特定任務(wù)時(shí)較之傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所具有的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這種優(yōu)勢(shì)通常被稱(chēng)為“量子優(yōu)越性”或“量子霸權(quán)”。量子計(jì)算利用亞原子世界的基本特征來(lái)設(shè)計(jì)算法，是當(dāng)前富有活力的前沿研究領(lǐng)域。以量子計(jì)算為核心的量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，既印證了量子力學(xué)的正確性，也印證了我們運(yùn)用經(jīng)典思維理解量子理論的不可能性。然而遺憾的是，當(dāng)前關(guān)于量子計(jì)算蘊(yùn)含的哲學(xué)智慧，既沒(méi)有引起科學(xué)哲學(xué)界的高度關(guān)注，也沒(méi)有得到充分研究和挖掘，更談不上有效汲取和借鑒。因此，非常有必要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)地研討。
量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)
人類(lèi)自古以來(lái)就致力于發(fā)明和改進(jìn)計(jì)算工具。從古老的“結(jié)繩記事”，到算盤(pán)，再到電子計(jì)算機(jī)誕生，在這條不斷計(jì)算化的發(fā)展道路上，如何加快運(yùn)算速度、提高運(yùn)算能力，始終是科學(xué)家們努力奮斗的重要目標(biāo)。
特別是自20世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)由軍用轉(zhuǎn)為民用以來(lái)，信息化和網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的數(shù)字化與智能化發(fā)展深刻影響人類(lèi)生存的方方面面，帶來(lái)了新一輪的文明轉(zhuǎn)型與社會(huì)轉(zhuǎn)型。在這個(gè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，試圖理解世界的每一個(gè)人都無(wú)法忽視算法的作用，或者說(shuō)，算法已經(jīng)成為人類(lèi)觀察世界的透視鏡和過(guò)濾器。
量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，涉及量子力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科。量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題是，如何將奇異的量子特性變成可供利用的計(jì)算資源，這項(xiàng)工作預(yù)設(shè)了量子力學(xué)的實(shí)在性；而量子物理學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題則是，如何找到支配量子系統(tǒng)變化發(fā)展的定律。事實(shí)上，量子力學(xué)揭示的定律比我們?cè)谌粘Ｉ钪心軌蚶斫獾亩筛悠嫣睾筒豢伤甲h，也更加有力、更加精彩。量子力學(xué)是反直覺(jué)的，我們無(wú)法根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的概念框架來(lái)理解其基本原理。比如，量子態(tài)的演化滿足態(tài)疊加原理；微觀粒子既能表現(xiàn)出粒子性，也能表現(xiàn)出波動(dòng)性；微觀粒子的行為表現(xiàn)隨測(cè)量設(shè)置的變化而變化；特別是，對(duì)于兩粒子或多粒子系統(tǒng)而言，曾經(jīng)作用過(guò)的兩個(gè)或多個(gè)粒子，在它們彼此分離開(kāi)來(lái)之后，不管相距多遠(yuǎn)，對(duì)一個(gè)粒子的測(cè)量都會(huì)“影響”到另一個(gè)或其他粒子的存在狀態(tài)，這即是量子物理學(xué)家薛定諤對(duì)于“量子糾纏”的定義。就如何更好地理解這些與常識(shí)相差甚遠(yuǎn)的現(xiàn)象，引發(fā)了關(guān)于物理學(xué)基本問(wèn)題的哲學(xué)爭(zhēng)論。
有意思的是，在這些爭(zhēng)論遠(yuǎn)未塵埃落定之前，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在20世紀(jì)80年代初召開(kāi)的一次計(jì)算物理會(huì)議上指出，自然界并不是經(jīng)典物理學(xué)所描述的那樣，如果你想模擬自然界，那么，你最好使其量子化。因?yàn)楫?dāng)我們進(jìn)入極小極小的微觀世界時(shí)，這個(gè)世界遵循的量子力學(xué)原理會(huì)向我們提供全新的機(jī)會(huì)，使我們能夠期待做一些截然不同的事情。這是費(fèi)曼最初提出量子計(jì)算的思想基礎(chǔ)。在費(fèi)曼看來(lái)，如果我們將世界看成是量子化的，那么，量子力學(xué)描述的諸如態(tài)的疊加性、相干性和量子糾纏等量子特性就可能在未來(lái)的量子計(jì)算中起到根本性的作用。基于這種想法，他首次提出了一個(gè)利用量子體系進(jìn)行計(jì)算的抽象模型，從而開(kāi)啟了把量子理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的嶄新領(lǐng)域——量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，量子計(jì)算機(jī)是利用量子力學(xué)的基本原理進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和處理量子信息，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。
1985年，英國(guó)牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·多伊奇（David Deutsch）設(shè)計(jì)了有關(guān)量子計(jì)算機(jī)的雛形，提出了“量子圖靈機(jī)”，完成了與經(jīng)典圖靈機(jī)模型的對(duì)應(yīng)，標(biāo)志著量子計(jì)算機(jī)的研究開(kāi)始步入軌道。然而，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展極其緩慢，直到20世紀(jì)90年代之后，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)才逐步成為發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)，從而加快了將費(fèi)曼的夢(mèng)幻般的理論預(yù)言向著日益接近現(xiàn)實(shí)方向發(fā)展的進(jìn)程。量子計(jì)算機(jī)的突破性進(jìn)展基于下列兩種算法的提出。
其一，1994年，美國(guó)電話電報(bào)公司研究中心的計(jì)算機(jī)科學(xué)家彼得·肖爾（Peter Shor）利用量子態(tài)的疊加性和量子糾纏特性，提出了能夠解決因數(shù)分解問(wèn)題的量子算法，即分解大數(shù)質(zhì)因子量子算法，也稱(chēng)之為“肖爾算法”。這種算法比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快指數(shù)倍，從而為量子計(jì)算的發(fā)展開(kāi)辟了道路。之后，世界眾多研究小組加入該研究行列，在量子計(jì)算研究領(lǐng)域不斷取得重大進(jìn)步。所謂大數(shù)質(zhì)因子分解是指，把一個(gè)大整數(shù)分解為所有質(zhì)數(shù)因子的乘積，且這種分解是唯一的。
其二，1997年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛弗·格羅弗（Lov Grover）提出了一種量子搜索算法，也稱(chēng)為“量子格羅弗算法”。在傳統(tǒng)搜索算法中，由于解空間過(guò)大，導(dǎo)致了需要搜索的路徑過(guò)多。因此，經(jīng)典搜索策略主要是設(shè)法減少實(shí)際搜索空間。而對(duì)于量子搜索算法來(lái)說(shuō)，搜索所有的路徑不再是困難所在，問(wèn)題在于，尋求如何減少甚至消除非解路徑上的振幅，并將其轉(zhuǎn)移到解路徑上來(lái)。打一個(gè)比方來(lái)說(shuō)，搜索算法解決問(wèn)題就像是一個(gè)人在汪洋大海上尋找目標(biāo)。傳統(tǒng)算法類(lèi)似于近距離搜尋目標(biāo)，因此，每次找到的目標(biāo)有限；而量子算法相當(dāng)于高空遠(yuǎn)距離搜索目標(biāo)，可以鳥(niǎo)瞰到整個(gè)海面，但是，由于距離遙遠(yuǎn)，看到的是一幅模糊的畫(huà)面。為了看清目標(biāo)，要設(shè)法突出目標(biāo)“顏色”，同時(shí)使其他點(diǎn)的顏色變淡，從而使目標(biāo)更清晰、更突出醒目。這里“顏色”的深淺就相當(dāng)于振幅的大小。
采用量子肖爾算法，可以攻破所有的經(jīng)典密鑰系統(tǒng)；利用格羅弗算法，量子計(jì)算機(jī)能以平方根加速所有的搜索過(guò)程?；诹孔恿W(xué)基本原理設(shè)計(jì)的這兩個(gè)重要算法，將量子計(jì)算機(jī)的研究推向了高潮。量子圖靈機(jī)計(jì)算與傳統(tǒng)圖靈機(jī)計(jì)算的最大的不同之處在于，表征基本信息單元的比特是兩個(gè)能級(jí)的量子系統(tǒng)，它的狀態(tài)由希爾伯特空間的基矢量疊加而成。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，經(jīng)典比特可以用兩個(gè)邏輯值來(lái)表示：是與否、真與假、對(duì)與錯(cuò)、開(kāi)與關(guān)等，通常用二進(jìn)制的0和1表示。在量子計(jì)算機(jī)中，當(dāng)用０（｜０＞）態(tài)和１（｜１＞）態(tài)表示1個(gè)原子所處的基態(tài)和激發(fā)態(tài)時(shí)，根據(jù)態(tài)疊加原理，｜０＞和｜１＞的疊加態(tài)｜Ψ＞=ａ｜０＞＋ｂ｜１＞也是可能的狀態(tài)。這樣，對(duì)N個(gè)量子比特的單次操作，等效于同時(shí)對(duì)2N個(gè)基矢量做了變換。也就是說(shuō)，一次量子操作，完成了經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要2N次操作才能完成的計(jì)算。因此，用量子態(tài)代替經(jīng)典態(tài)將達(dá)到不可比擬的運(yùn)算速度。
量子圖靈機(jī)具有的這種并行性計(jì)算能力是由量子力學(xué)原理所賦予的。不過(guò)，當(dāng)我們要讀出信息時(shí)，量子力學(xué)原理只允許讀出2N種可能性中的一種，每種可能性出現(xiàn)的概率由演化后狀態(tài)的基矢量前面的概率幅a和b來(lái)決定，其中，a和b是復(fù)系數(shù)，滿足歸一化條件，即｜a｜２＋｜b｜２＝１。所以，原則上量子計(jì)算是一種概率計(jì)算。而量子計(jì)算的并行性特征恰好是量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)最重要的特征之一。從總體上說(shuō)，科學(xué)家要建造量子計(jì)算機(jī)，必須創(chuàng)造一個(gè)物理系統(tǒng)，在這個(gè)物理系統(tǒng)中，每個(gè)相互作用都能得到很好的控制，計(jì)算機(jī)中的態(tài)之間的相互作用變得很強(qiáng)，且不會(huì)由于與環(huán)境的作用而退相干。然而，這一步是很難實(shí)現(xiàn)的。
近三十年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)在理論和實(shí)踐上的發(fā)展都十分迅速。從理論上看，科學(xué)家已經(jīng)能夠演示量子計(jì)算機(jī)的工作原理、量子邏輯門(mén)操作、量子算法和量子編碼等，證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)在理論上不存在不可逾越的障礙。但是在實(shí)踐中，由于量子相干性十分脆弱，環(huán)境引起的量子退相干效應(yīng)相當(dāng)致命，會(huì)大大降低量子計(jì)算效率，使有效計(jì)算變成無(wú)效計(jì)算。因此，如何實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算，確保最終輸出的可靠性，一直制約和阻礙著量子計(jì)算機(jī)的研制進(jìn)程。當(dāng)前研究的主要方向，一方面集中在尋找極低干擾條件的環(huán)境、高保真度的量子器件，探索新的更易于用量子器件實(shí)現(xiàn)的算法過(guò)程等；另一方面則是探索如何能夠制造出基于量子力學(xué)的計(jì)算芯片，而這一項(xiàng)工作依然任重而道遠(yuǎn)，甚至還有很大的不確定性。
2019年10月，谷歌公司率先宣布實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”；2020年12月，九章量子計(jì)算原型機(jī)的問(wèn)世，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上能夠?qū)崿F(xiàn)“量子優(yōu)越性”的第二個(gè)國(guó)家。雖然目前量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)還處于十分初級(jí)的階段，但只要取得一點(diǎn)進(jìn)展，就會(huì)令人歡欣鼓舞。從哲學(xué)意義上來(lái)看，這種發(fā)展也間接地印證了作為量子計(jì)算理論基礎(chǔ)的量子態(tài)的疊加性、量子糾纏、量子不可克隆等特性的實(shí)在性。問(wèn)題在于，當(dāng)長(zhǎng)期以來(lái)一直充斥著最為深刻的哲學(xué)爭(zhēng)論的認(rèn)知事實(shí)，通過(guò)技術(shù)現(xiàn)實(shí)的方式印證了其實(shí)在性時(shí)，需要我們以接受這些新特性為起點(diǎn)，深入挖掘其中的哲學(xué)意蘊(yùn)，而不是依然堅(jiān)守傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)在論，來(lái)質(zhì)疑新的哲學(xué)見(jiàn)解。
對(duì)象與事實(shí)的互塑
在量子信息技術(shù)發(fā)展史上，20世紀(jì)以量子計(jì)算和量子信息理論的崛起而告終，21世紀(jì)則以量子計(jì)算和量子信息理論與技術(shù)的大力發(fā)展而開(kāi)始。但是，這并不意味著能夠用量子信息理論的術(shù)語(yǔ)來(lái)重新闡述量子力學(xué)的概念基礎(chǔ)；[1]而是意味著我們需要重新回答“理論是什么”的基本問(wèn)題，[2]以及重新揭示對(duì)象與事實(shí)以及理論與實(shí)在之間的內(nèi)在關(guān)系。
從方法論的視域來(lái)看，物理學(xué)家提出理論概念的初衷，并不僅僅是為了達(dá)到實(shí)用的目標(biāo)，更重要的是為了融貫地理解正在發(fā)生的事情本身；量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家的工作則是解決特定的問(wèn)題，其目標(biāo)在于根據(jù)量子力學(xué)提供的基本原理建造能夠成功應(yīng)用的新的計(jì)算機(jī)器或新的人造物，因此他們的思維習(xí)慣通常是遵守實(shí)用主義的原則，具有很強(qiáng)的目的性。相比之下，對(duì)于深耕概念分析的哲學(xué)家而言，實(shí)用主義對(duì)他們辨明基礎(chǔ)性問(wèn)題是無(wú)助的，正如“垃圾食品”無(wú)益于人的身體健康一樣。哲學(xué)家通常能夠在從前認(rèn)為很好的解決方案中找出存在的問(wèn)題。
量子計(jì)算的發(fā)展表明，當(dāng)工程實(shí)踐的進(jìn)展超越了以愛(ài)因斯坦和玻爾為代表的量子物理學(xué)家關(guān)于理論本性等問(wèn)題的哲學(xué)爭(zhēng)論時(shí)，我們對(duì)作為設(shè)計(jì)量子算法和量子信息理論與技術(shù)依據(jù)的態(tài)疊加原理、量子糾纏、非定域性、量子不可克隆等神秘特性的哲學(xué)探討，必須改變思路：即從過(guò)去像愛(ài)因斯坦那樣，堅(jiān)守經(jīng)典實(shí)在論來(lái)質(zhì)疑量子理論的完備性和實(shí)在性的做法，以及對(duì)隱變量的量子理論的向往與追求，轉(zhuǎn)向像玻爾、海森伯等人那樣，基于接受量子理論的新特征來(lái)重新理解與界定微觀對(duì)象、事實(shí)、理論、實(shí)在之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建構(gòu)一種更具包容性的量子實(shí)在觀。
在經(jīng)典物理學(xué)的研究傳統(tǒng)中，研究對(duì)象就是現(xiàn)存的實(shí)在本身，并且它們的存在性是第一位的，具有天然的優(yōu)先性。宏觀物體是定域的，物理學(xué)家要么可以直接看到它們或?qū)λ鼈冞M(jìn)行直接操作，要么可以通過(guò)儀器來(lái)間接地看到它們或?qū)λ鼈冞M(jìn)行間接操控，并借助實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)方法來(lái)揭示它們的屬性和變化規(guī)律，而儀器在這里只是扮演工具的角色，不會(huì)對(duì)對(duì)象的存在形態(tài)等產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。物理學(xué)家在這一認(rèn)知過(guò)程中，根據(jù)物理學(xué)概念與對(duì)象之間的直接指稱(chēng)關(guān)系來(lái)把握概念的意義，也就是說(shuō)，概念能夠在不依賴(lài)于任何理論的前提下直接指向?qū)嵲诒旧?，這種指稱(chēng)通常被稱(chēng)之為“真指稱(chēng)”（real reference）。就像大人教小孩認(rèn)識(shí)物體一樣，概念與對(duì)象具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，由包含“真指稱(chēng)”關(guān)系的概念與語(yǔ)言構(gòu)成的理論，順理成章地成為對(duì)實(shí)在世界的描述。在這種概念圖景中，對(duì)因果關(guān)系的追溯屬于本體論問(wèn)題，而不是認(rèn)識(shí)論問(wèn)題。
然而，量子力學(xué)的誕生，特別是量子計(jì)算等量子信息技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)這種將認(rèn)識(shí)論問(wèn)題本體論化的思維方式和經(jīng)典實(shí)在論提出了巨大的挑戰(zhàn)。這也是20世紀(jì)兩位偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦和玻爾就量子力學(xué)的基本問(wèn)題爭(zhēng)論不休的關(guān)鍵所在。在量子力學(xué)中，諸如光子、電子之類(lèi)的微觀粒子是依賴(lài)于理論的“實(shí)體”，而不再是量子物理學(xué)家能夠直接或間接地看到的實(shí)在本身。因此，微觀粒子的指稱(chēng)不再是“真指稱(chēng)”，而是“理論上的指稱(chēng)”（theoretical reference）或“推定的指稱(chēng)”（putative reference）。在這種指稱(chēng)關(guān)系中，量子物理學(xué)家不可能是先擁有對(duì)象、再說(shuō)明事實(shí)，而是建構(gòu)對(duì)象與說(shuō)明現(xiàn)象同步進(jìn)行；這樣，微觀對(duì)象與科學(xué)事實(shí)之間的關(guān)系就不再是經(jīng)典物理學(xué)中的先后關(guān)系，而是變成了互塑關(guān)系，或者說(shuō)，成為互為前提的共存關(guān)系。
鑒于九章量子計(jì)算原型機(jī)是以光子為資源來(lái)構(gòu)建的，所以，這里就以“光電效應(yīng)”為例闡述對(duì)象與事實(shí)之間的互塑關(guān)系。光電效應(yīng)是指，當(dāng)一束光照射在金屬表面時(shí)，如果光的頻率大于金屬中電子逸出的極限頻率，金屬表面就會(huì)有電子逸出，稱(chēng)之為“光電子”。逸出電子所獲得的能量的大小取決于照射光的頻率，而與照射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這種現(xiàn)象最早由電磁波的預(yù)言者赫茲在1887年發(fā)現(xiàn)。但十多年來(lái)，物理學(xué)家運(yùn)用當(dāng)時(shí)普遍接受的光的波動(dòng)說(shuō)一直無(wú)法說(shuō)明這種現(xiàn)象。1905年，愛(ài)因斯坦將普朗克提出的能量子假說(shuō)推廣到光的情況，提出了“光的粒子說(shuō)”，認(rèn)為光是由一份一份不連續(xù)的或離散的光量子（后來(lái)簡(jiǎn)稱(chēng)之為“光子”）組成的，而不是連續(xù)性的波動(dòng)。當(dāng)頻率大于某個(gè)極限頻率的照射光照射到金屬表面時(shí)，光子的能量立即被金屬中的電子全部吸收，電子由于吸收了光子的能量，因而能夠逃逸出金屬表面，即使照射光的強(qiáng)度很弱，也是如此。而當(dāng)頻率小于某個(gè)極限頻率的照射光照射到金屬表面時(shí)，無(wú)論照射光的強(qiáng)度有多大，金屬表面都不會(huì)有電子逸出。
據(jù)此，愛(ài)因斯坦利用“光的粒子性”假說(shuō)，很好地說(shuō)明了金屬中的電子為什么在光照射下能夠逸出金屬表面的事實(shí)，以及光電子的能量為什么只與照射光的頻率有關(guān)，而與照射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)的事實(shí)。1916年，密立根證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光量子理論的正確性，愛(ài)因斯坦也因此榮獲1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。“光子”概念進(jìn)入物理學(xué)家研究的視域后，物理學(xué)界達(dá)成了光具有波粒二象性的共識(shí)，基于這一共識(shí)德布羅意在他的博士論文中通過(guò)類(lèi)比提出了“物質(zhì)波”概念；而“物質(zhì)波”概念的提出，又進(jìn)一步成為薛定諤創(chuàng)立具有劃時(shí)代意義的“波動(dòng)力學(xué)”的源起和基礎(chǔ)；量子理論在創(chuàng)立幾十年之后，又成為了量子計(jì)算和量子信息理論與技術(shù)的理論資源。
在這個(gè)案例中，愛(ài)因斯坦提出的“光子”概念之所以被物理學(xué)界所接受，是因?yàn)樗芎玫卣f(shuō)明了“光電效應(yīng)”現(xiàn)象，反過(guò)來(lái)說(shuō)，“光電效應(yīng)”現(xiàn)象之所以能夠得到很好的說(shuō)明，變成一個(gè)科學(xué)事實(shí)，是因?yàn)閻?ài)因斯坦提出了“光子”概念。在這里，“光子”作為對(duì)象與“光電效應(yīng)”作為事實(shí)，具有互塑關(guān)系，兩者既同時(shí)成立，又都是由“光的粒子說(shuō)”建構(gòu)起來(lái)的。
意大利科學(xué)哲學(xué)家馬爾切洛·佩拉（Marcello Pera）在闡述“認(rèn)識(shí)論與修辭策略”時(shí)，以“太陽(yáng)黑子”為例更廣泛地闡述了同樣的觀點(diǎn)。他論證說(shuō)，假設(shè)“太陽(yáng)上有斑點(diǎn)”是某位天文學(xué)家的觀察報(bào)告，且這個(gè)觀察報(bào)告是理論性的，其他天文學(xué)家必然會(huì)對(duì)這一理論性的觀察報(bào)告展開(kāi)驗(yàn)證和討論。只有當(dāng)天文學(xué)家之間達(dá)成共識(shí)時(shí)，“太陽(yáng)黑子”這個(gè)概念才能成為一個(gè)對(duì)象，“太陽(yáng)上有斑點(diǎn)”才能成為一個(gè)事實(shí)。在這里，佩拉區(qū)分出“看見(jiàn)”和“看出”兩個(gè)概念：
（1）某人看見(jiàn)現(xiàn)象a1，a2，…an；
（2）某人看出a1，a2，…an是A（A=太陽(yáng)黑子）
佩拉指出，在這個(gè)過(guò)程中，“看見(jiàn)”是與認(rèn)知無(wú)關(guān)的“看”，而“看出”是與認(rèn)知相關(guān)的“看”。與認(rèn)知無(wú)關(guān)的“看見(jiàn)”只適用于日常范疇，比如，時(shí)間順序、空間布局等；而與認(rèn)知相關(guān)的“看出”則需要運(yùn)用適用于感知對(duì)象a1，a2，…an的概念。例如太陽(yáng)黑子，這個(gè)概念本身是依賴(lài)于理論的，一個(gè)人如果沒(méi)有天文學(xué)知識(shí)，就無(wú)法看到太陽(yáng)上有斑點(diǎn)。[3]這種觀點(diǎn)也可以進(jìn)一步推廣到我們的日常生活當(dāng)中，比如說(shuō)，缺乏相應(yīng)醫(yī)學(xué)知識(shí)的病患，無(wú)法看懂醫(yī)院提供的各類(lèi)檢查結(jié)果?？茖W(xué)哲學(xué)家漢森（N. R. Hanson）早在20世紀(jì)50年代就將這種情況概括為“觀察負(fù)載理論”。然而，令人遺憾的是，包括漢森在內(nèi)的科學(xué)哲學(xué)家并沒(méi)有將這種智慧擴(kuò)展到理解科學(xué)對(duì)象與科學(xué)事實(shí)之間的相互關(guān)系方面?，F(xiàn)在看來(lái)，“觀察負(fù)載理論”不只強(qiáng)調(diào)了理論與觀察的整體性，而且已經(jīng)埋下了重新理解科學(xué)哲學(xué)概念的伏筆。
不管是從提出新的理論（光的微粒說(shuō)）來(lái)創(chuàng)構(gòu)對(duì)象（光子）和說(shuō)明事實(shí)（光電效應(yīng)），還是運(yùn)用公認(rèn)的理論知識(shí)來(lái)“辨認(rèn)”或“看出”某個(gè)事實(shí)（太陽(yáng)上有斑點(diǎn)）而形成新的對(duì)象（太陽(yáng)黑子），二者都揭示出：在科學(xué)研究與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)象與事實(shí)實(shí)際上是理論建構(gòu)的產(chǎn)物，對(duì)象與事實(shí)之間的關(guān)系就像上與下、左與右這些具有相對(duì)性的概念之間的關(guān)系一樣，是相互依存的互塑關(guān)系。問(wèn)題在于，如果對(duì)象與事實(shí)成為依賴(lài)于理論的產(chǎn)物，那么，理論就不再是對(duì)實(shí)在的直接描述或表征，或者說(shuō)，不再像經(jīng)典實(shí)在論所認(rèn)為的那樣，是實(shí)在的復(fù)印件或直接畫(huà)像。這就進(jìn)一步提出了如何理解量子理論與實(shí)在的關(guān)系問(wèn)題。
理論與實(shí)在的同構(gòu)
我們需要區(qū)分兩層關(guān)系：實(shí)在與對(duì)象的關(guān)系；對(duì)象與理論的關(guān)系。在實(shí)在、對(duì)象、理論之間，對(duì)象起到了承上啟下的作用，成為溝通“實(shí)在”與“理論”之間的中間橋梁。如前所述，在微觀領(lǐng)域內(nèi)，我們不可能如經(jīng)典物理學(xué)中那樣，在“實(shí)在”與“對(duì)象”之間簡(jiǎn)單地劃等號(hào)，將一切認(rèn)識(shí)論問(wèn)題本體論化，將理論看成是對(duì)實(shí)在本身的描述與表征。微觀實(shí)在只具有本體論的優(yōu)先性，是確?？茖W(xué)研究得以進(jìn)行的基本前提，無(wú)法直接進(jìn)入物理學(xué)家的認(rèn)知視域，能夠進(jìn)入物理學(xué)家認(rèn)知視域的是“對(duì)象性實(shí)在”。
斯坦福大學(xué)線性加速器中心的趙午教授在十年前接受筆者的一次訪談時(shí)表示，他將微觀粒子看成一種“抽象的”實(shí)在，認(rèn)為只有當(dāng)我們進(jìn)行觀察時(shí)它才在那里，當(dāng)我們不進(jìn)行觀察時(shí)，它只是希爾伯特空間中的一個(gè)算符。[4]這種觀點(diǎn)也說(shuō)明，我們不能再將“微觀粒子”看成是“自在實(shí)在”本身，而只能看成是“對(duì)象性實(shí)在”。對(duì)象雖然是理論建構(gòu)的產(chǎn)物，是經(jīng)由人的認(rèn)知理解之后才作為對(duì)象而存在，其固有規(guī)定也體現(xiàn)在與人（包括測(cè)量在內(nèi)）的相互作用中，且隨著相互作用方式的變化而變化；但是，微觀粒子的對(duì)象性并不能改變其客觀性，而是賦予客觀性以建構(gòu)的特點(diǎn)。對(duì)象的客觀性是通過(guò)對(duì)象與事實(shí)的互塑關(guān)系來(lái)保證的，因?yàn)閷?duì)象與事實(shí)共同植根于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之中，是同一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的兩個(gè)方面，而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則是由自在實(shí)在與特定的測(cè)量環(huán)境共同作用之后產(chǎn)生的，經(jīng)受過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物質(zhì)性及其理論理解的融貫性，使科學(xué)對(duì)象和科學(xué)事實(shí)具有了一定程度的客觀性。
因此，對(duì)象與事實(shí)的客觀性成為打通理論與實(shí)在相關(guān)的中介。為了更加明確地說(shuō)明問(wèn)題，下面我們將理論劃分為兩種類(lèi)型。
一是“說(shuō)明性理論”（explanatory theories，簡(jiǎn)稱(chēng)E理論）。意指用理論術(shù)語(yǔ)來(lái)闡述并接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的假設(shè)，這些假設(shè)說(shuō)明了事實(shí)和規(guī)律性。E理論一旦被科學(xué)家所承認(rèn)，就會(huì)成為可以加以利用的科學(xué)知識(shí)。比如，量子力學(xué)的形式體系是由概率波、光子、自旋、算符等前所未有的理論術(shù)語(yǔ)來(lái)闡述的，它不僅使普朗克在1900年提出的量子假設(shè)成為它的一個(gè)推論，而且還為人們思考微觀物理現(xiàn)象與認(rèn)識(shí)微觀世界提供了有效的語(yǔ)言框架，帶來(lái)了量子信息技術(shù)和相關(guān)新型學(xué)科的發(fā)展。說(shuō)明性理論由于能夠提供說(shuō)明，因而是可以接受經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論，或者說(shuō)，可以被經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)或證偽。如果一個(gè)說(shuō)明性理論的預(yù)言能夠得到經(jīng)驗(yàn)的證實(shí)，那么，它提供的關(guān)于實(shí)在的數(shù)學(xué)模型與物理模型，就與實(shí)在本身具有一定程度的同構(gòu)性。
二是“解釋性理論”（interpretative theories，簡(jiǎn)稱(chēng)I理論）。意指對(duì)世界及其具體領(lǐng)域提供本體論解釋的假設(shè)，這些假設(shè)要么是日常共識(shí)，要么是特定的說(shuō)明性理論的基本前提所蘊(yùn)含的一種哲學(xué)解釋?zhuān)窃诳偨Y(jié)過(guò)去認(rèn)知結(jié)果的基礎(chǔ)上形成的。但是，它不等同于認(rèn)知結(jié)果。就其目標(biāo)而言，這種“假設(shè)的目的不是提供說(shuō)明，而是解釋世界，即依據(jù)基本的本體論，把某一結(jié)構(gòu)歸于世界，或者，歸于世界的具體領(lǐng)域”[5]。這類(lèi)假設(shè)提供的是形而上學(xué)的觀點(diǎn)，既不可能被經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)，也不可能被經(jīng)驗(yàn)所證偽。解釋性理論所提供的假設(shè)通常有兩種類(lèi)型：一是科學(xué)研究得以進(jìn)行的普遍假設(shè)，即適用于任何學(xué)科的假設(shè)，例如，自然界是可理解的、有規(guī)律的、統(tǒng)一的，等等；二是與具體的學(xué)科發(fā)展相聯(lián)系的特殊假設(shè)，例如，經(jīng)典物理學(xué)中的機(jī)械論、生物學(xué)中的活力論、地質(zhì)學(xué)中的漸變論，等等。
由于I理論提供的是關(guān)于世界基本實(shí)體的假設(shè)，E理論提供的是對(duì)這些實(shí)體行為的說(shuō)明，所以，E理論與I理論的變化并不總是同步的。每一個(gè)E理論都與一個(gè)I理論相聯(lián)系，比如，牛頓的萬(wàn)有引力理論（E理論）與近距作用的世界觀（I理論）相聯(lián)系；反之則不然，一個(gè)I理論可以同時(shí)與多個(gè)E理論相聯(lián)系，比如，因果決定論的世界觀（I理論）可以與牛頓力學(xué)（E理論）、電磁學(xué)理論（E理論）、相對(duì)論力學(xué)（E理論）等相聯(lián)系。這表明，I理論的變化一定會(huì)帶來(lái)E理論的變化，而E理論的變化則不一定總是帶來(lái)I理論的變化。
E理論和I理論一并構(gòu)成了學(xué)科體系的核心。在I理論保持不變的情況下，E理論的變化是學(xué)科亞系統(tǒng)的常規(guī)理論的變化；如果I理論和E理論同時(shí)發(fā)生變化，則是學(xué)科內(nèi)部的基本理論的變化，用科學(xué)哲學(xué)家?guī)於鞯脑拋?lái)說(shuō)，即范式的轉(zhuǎn)變。量子力學(xué)屬于后一種情況。物理學(xué)界接受了新的E理論（量子力學(xué)），但并沒(méi)有完全接受量子力學(xué)的假設(shè)所提供的I理論（自然界是非決定論的）。物理學(xué)家是否接受新的I理論，是形而上學(xué)的觀念問(wèn)題。當(dāng)量子計(jì)算和量子信息理論與技術(shù)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展時(shí)，我們就需要依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和技術(shù)應(yīng)用來(lái)接受新的I理論，比如，根據(jù)量子物理過(guò)程生成純隨機(jī)數(shù)方面取得的突破性進(jìn)展，接受光子等微觀粒子確實(shí)是以無(wú)法預(yù)先確定的概率形式存在的事實(shí)，正如彼得·比爾霍斯特（Peter Bierhorst）所言，“隨機(jī)性存在于宇宙中，這令人興奮”[6]，這意味著，我們必須接受自然界是不連續(xù)的或量子化的，是非決定論的等假設(shè)。
當(dāng)物理學(xué)家既接受新的E理論，也接受新的I理論時(shí)，則意味著物理學(xué)的基本理論發(fā)生了變化。在這種情況下，我們雖然可以從本體論意義上承認(rèn)光子等微觀粒子的存在性，但這種存在性并不等同于實(shí)在性。因?yàn)槿绻x開(kāi)現(xiàn)有的E理論與I理論，就無(wú)法知道這些粒子的存在。因此，這些粒子在作為我們用來(lái)描述其術(shù)語(yǔ)的“理論上的指稱(chēng)”或“推定的指稱(chēng)”的意義上是真實(shí)的，也就是說(shuō)，就“自在實(shí)在”向我們呈現(xiàn)的方式而言，它們是真實(shí)的，但一旦離開(kāi)其呈現(xiàn)方式，就不再為真。因?yàn)樗鼈儾⒉皇?ldquo;真指稱(chēng)”，而是承載理論的指稱(chēng)。因此，我們既不能簡(jiǎn)單地說(shuō)對(duì)象和事實(shí)與實(shí)在相符，也不能說(shuō)理論描述了實(shí)在，而只能說(shuō)，理論是實(shí)在的映射，是在理解實(shí)在，而不是描述實(shí)在。
描述實(shí)在是對(duì)實(shí)在本身的刻畫(huà)和對(duì)實(shí)在行為的揭示，描述的對(duì)錯(cuò)由是否與實(shí)在相符合來(lái)加以判斷；而理解實(shí)在則是對(duì)實(shí)在在特定條件下的認(rèn)知內(nèi)容的具體表達(dá)，或者說(shuō)，是對(duì)自在實(shí)在機(jī)理的整體模擬，而不是直接的言說(shuō)或描述。機(jī)理性的整體模擬是數(shù)學(xué)模型與物理模型的集合，是在域境化（contextualization）、去域境化（decontextualization）和再域境化（recontextualization）的動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成的。在這個(gè)過(guò)程中，認(rèn)知主體由扮演“上帝之眼”的角色變成了建構(gòu)者的身份。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，理論與實(shí)在只具有同構(gòu)關(guān)系，而不存在一一對(duì)應(yīng)的符合關(guān)系。
綜上所述，量子計(jì)算的哲學(xué)意蘊(yùn)是多方面的，本文限于篇幅只揭示了對(duì)象與事實(shí)的互塑關(guān)系以及理論與實(shí)在的同構(gòu)關(guān)系。這兩對(duì)關(guān)系的揭示既能說(shuō)明為什么“認(rèn)識(shí)論的突變”往往會(huì)導(dǎo)致本體論的修正，也能說(shuō)明為什么量子理論的基本原理能夠成為量子計(jì)算的物理資源。
（本文系國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目“當(dāng)代量子論與新科學(xué)哲學(xué)的興起”和國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目“當(dāng)代量子詮釋學(xué)研究”的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)分別為：16ZDA113、19ZDA038）
注釋
[1]Fuchs, C. A., "Quantum Mechanics as Quantum Information (and only a more)", https://www.researchgate.net/publication/2850991_Quantum_Mechanics_as_Quantum_Information_and_only_a_little_more, 2002-05-08.
[2]Hagar, A., "A Philosopher Looks at Quantum Information theory", Philosophy of science, 2003, 70(4), pp. 725-775.
[3][5]［意］馬爾切洛·佩拉：《科學(xué)之話語(yǔ)》，成素梅、李洪強(qiáng)譯，上?？萍冀逃霭嫔?，2006年，第150～151、109頁(yè)。
[4]參見(jiàn)成素梅：《如何理解微觀粒子的實(shí)在性問(wèn)題：訪問(wèn)斯坦福大學(xué)的趙午教授》，《哲學(xué)動(dòng)態(tài)》，2009年2期。
[6]Bierhorst, P., "Experimentally Generated Randomness Certified by the Impossibility of Superluminal Signals", https://arxiv.org/pdf/1803.06219.pdf, 2018-02-22.
責(zé) 編／張 貝
The Philosophical Implication of Quantum Computing
Cheng Sumei
Abstract: The development of quantum computing is a tribute to the quantum theory as its theoretical foundation. However, this does not mean that the conceptual basis of quantum theory can be re-elaborated with the terms of quantum computing or the terms of quantum information theory, but means that we need to re-answer the fundamental question about "what theory is". The relationship between quantum theory and reality is not consistent any more, but an isomorphic one. The objectivity of a theory is guaranteed by the mutual molding between objects and facts. The physicists’ construction of objects and interpretation of facts are carried out simultaneously and rely on theory. The objectivity of objects and facts is based on the observations and experiments. So, the objects and facts play a role in connecting theory and reality. Quantum theory is the mapping of reality, and it does not describe reality, but understands it.
Keywords: Quantum Computing, Object, Fact, Theory, Philosophy of Science and Technology
