沈 健

(1.嘉應學院 科研處，廣東 梅州 514015； 2.湖南師范大學 科技與社會發(fā)展研究中心，湖南 長沙 410081)

量子技術離大眾化的實用階段越近，從哲學上去詮釋它就顯得越發(fā)緊迫和必要。詮釋當代量子技術，究竟是沿襲科學哲學里關于科學詮釋的現(xiàn)存理論，比如邏輯實證主義、歷史主義理論，還是借鑒科學哲學之外的現(xiàn)存詮釋學理論，比如伽達默爾哲學詮釋學、戴維森詮釋理論呢？中國社會科學院大學張江認為，需要研究出一套量子技術內在的新詮釋理論，而不能用其他現(xiàn)存的詮釋學理論生搬硬套去理解當代量子技術。①張江的觀點是有一定道理的，當代量子技術是一個新事物，以舊有的詮釋學理論去詮釋當代量子技術，就好比以16-17世紀近代機械自然觀去詮釋當代的分子生物學一樣，這種生硬套搬，或許能夠帶來一些新啟迪，但肯定詮釋不了新科技的新特質。鑒于此，對于量子技術的詮釋，研究者不能只是局限在狹隘地理解和分析量子技術文本上，詮釋主體的首要工作是踏進當代量子技術的范式(進入范式)，然后對量子技術概念、原理和設計過程進行批判性反思，并找出需要在哲學層面予以詮釋的技術問題(找到待釋問題)并加以分析，進而自然而然提出一套解答這些待釋問題的合理性詮釋理論(提出詮釋理論)。

一、當代量子技術范式下的量子技術

為了解當代量子技術的范式，首先需要系統(tǒng)理解量子技術領域的科學知識。目前，這方面的知識已經充分展示在各種規(guī)范化的教科書當中，例如《量子信息論——物理原理和某些進展》[1]《量子計算與通信加密》[2]《量子信息物理原理》[3]《量子通信原理與技術》[4]等；如果有機會，我們更可以走進量子技術實驗室，直接了解技術專家的設計流程。只有如此，我們才可能真正進入當代量子技術范式，從而對量子技術的實質有一個準確把握。

量子技術是基于量子力學之上的技術，是將量子力學、計算機技術、信息與通信技術相結合的一種新技術，主要包括量子計算技術、量子通信技術，而量子計算與量子通信事實上又是密不可分的，一般將量子計算和量子通信統(tǒng)稱為量子信息技術。量子通信技術，其技術原理是量子態(tài)的性質和演化與經典的物理態(tài)遵循完全不同的物理規(guī)律，因而將信息編碼在量子態(tài)上，便會誕生具有超越經典通信技術功能的新技術。所謂量子通信技術就是研究如何應用量子系統(tǒng)進行信息編碼、傳輸、處理和提取的技術。

量子計算主要包含量子算法、量子計算模型、量子計算的物理實現(xiàn)。量子算法的核心是如何處理量子并行計算，Deutsch-Jozsa算法、Shor整數因式分解算法、Grover量子搜索算法是典型代表。量子計算模型是將不同的量子邏輯門按照一定邏輯順序(量子線路)作用于量子比特(量子位)之上，而這些量子邏輯門通過改變和非定域操控量子比特，使其具有強大的計算能力。量子計算的物理實現(xiàn)，有離子阱方案、腔量子電動力學、量子點方案，這些方案都生成了量子計算必需的量子糾纏(quantum entanglement)。實現(xiàn)量子技術的關鍵是制備量子糾纏態(tài)，量子糾纏既反映量子世界的基本特征：相干性、概率性、空間非定域性，又是量子技術設計所依賴的寶貴資源，量子密鑰分發(fā)、量子并行計算、量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼無不源自量子糾纏?？梢哉f，沒有量子糾纏，則不可能有量子技術。量子糾纏可以存在于單個系統(tǒng)波函數的不同自由度之間，也可存在于多體系統(tǒng)的量子態(tài)之間。本質上，量子糾纏態(tài)就是不能分解為子系統(tǒng)狀態(tài)直積的態(tài)。物理上，為制備量子糾纏態(tài)，一般是利用泵浦光子穿過一塊偏硼酸鋇晶體，通過參量下變換過程產生孿生光子對。孿生光子對的偏振態(tài)彼此正交，但單個光子的偏振態(tài)無法確定，而且未知的偏振態(tài)不可克隆。量子糾纏態(tài)的最重要特征是它的非定域性，非定域性顛覆了傳統(tǒng)的因果律準則?；诩m纏光子信號的非定域性，可以獲得實現(xiàn)任意未知量子態(tài)傳輸的通信協(xié)議；基于單光子信號的海森堡測不準原理、量子不可克隆定理、單光子不可分割性，可以獲得基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信協(xié)議；基于連續(xù)變量信號的光場量子態(tài)，可以獲得量子隱形傳態(tài)、量子密集編碼、相干態(tài)量子通信協(xié)議等。②

為了在物理上實現(xiàn)上述量子通信協(xié)議，則需要研制量子信號產生、調制、測量、中繼以及組網等技術。糾纏光子信號的產生技術包括參量下轉換糾纏光子產生技術和光子晶體光纖糾纏光子產生技術；單光子信號產生技術包括單光子槍(處于實驗階段)和基于弱相干光脈沖產生的準單光子源(為量子通信的主流光源)。

單光子量子信號的常用調制技術包括偏振調制、相位調制和頻率調制。連續(xù)變量量子信號的常用調制技術包括高斯調制和離散調制。單光子信號的探測，主要采用基于雪崩光電二極管的單光子探測器和基于超導體材料的超導單光子探測器。連續(xù)變量量子信號的探測，主要采用平衡零拍探測器。量子中繼技術的原理是利用量子糾纏的可交換性，通過多級糾纏交換操作，從而使得長距離的兩個節(jié)點之間產生糾纏，以解決量子信號的信道損耗問題。

目前，不管是有線還是無線，經過實驗已經獲得眾多成功的量子通信系統(tǒng)。以我國為例，2007年，清華-中科大聯(lián)合團隊成功實現(xiàn)102 km(利用雙探測器)和75 km(利用單探測器)有線誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)。2010年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功實現(xiàn)16 km(北京八達嶺長城地區(qū)-懷來古要塞)自由空間的量子隱形傳態(tài)；同年，搭建了全通型量子保密電話網絡。 2016年，該團隊成功研制并發(fā)射了世界上第一顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”。2020年12月，潘建偉院士團隊同中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心進行合作，成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。2021年1月，中國科學技術大學正式對外宣布，潘建偉院士團隊在量子通信領域已成功實現(xiàn)距離4 600 km的星地量子密鑰分發(fā)，這標志著已完成構建天地一體化廣域量子通信網絡的雛形。2021年6月，潘建偉院士團隊實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄500 km量級現(xiàn)場無中繼光纖量子密鑰分發(fā)[5]。目前，雖然量子技術在許多方面還處于研究階段，但量子加密技術已進入可廣泛應用的成熟階段。

二、當代量子技術的待釋問題

當代量子技術被學界稱為第二次量子革命，第一次量子革命主要是指物理理論上的革命(從經典物理到量子物理)，而第二次量子革命主要是指技術上的革命(從經典技術發(fā)展到量子信息技術，力圖開發(fā)基于量子特征屬性的量子器件)[6]。作為一種新技術，在透徹理解量子技術文本知識的基礎上，站在哲學視角，我們認為有以下四個需要詮釋的問題。

問題一：量子技術文本里的量子技術新概念、新原理和新方案，并據此構建的量子人工世界，其內蘊的技術語言與邏輯是怎樣的？這些語言和邏輯與傳統(tǒng)的技術語言和邏輯有什么異同？這一問題涉及量子技術文本的意義問題。

問題二：身處經典世界的技術主體(人類)，如何能從局限性的經典視角理解和詮釋純粹的量子技術世界。是否永遠只能設計出經典+量子的“量子”技術，而無法觸及純粹的全量子技術？這一問題涉及量子技術主體與量子技術客體的屬性問題。

問題三：現(xiàn)有的世界體驗、現(xiàn)有的邏輯、現(xiàn)有的語言、現(xiàn)有的文化，是否能夠跟得上量子技術發(fā)展的步伐？是否需要改造現(xiàn)有知識體系中一些最為基質的東西？比如什么是經驗、什么是時空、什么是實在？以規(guī)避出現(xiàn)對量子神秘性、量子神奇性、量子佛學等的偏好。這一問題涉及量子技術所引發(fā)的實在論問題。

問題四：能否從哲學視角，開啟解決當前量子技術問題的新路徑？從而在哲學詮釋與量子技術研發(fā)之間架設一座“形而中”的橋梁，提出有益于推進量子技術進步與發(fā)展的新思想、新知識。

三、量子技術的語言與邏輯詮釋

(一)量子技術的語言表達

“所謂語言詮釋，就是語言交流中詮釋者通過考察言說者的言語行為來確定其話語的意義?！盵7]量子技術的語言詮釋則是詮釋者通過考察量子技術言說者(技術專家)的語言表達來確定其語言的意義。在這種詮釋當中，本質上需要弄清量子技術語言背后所包含的量子技術專家的語詞含義、技術行為、意向和信念等問題。在量子技術的語言表達中，存在不少量子技術的專用術語，如量子比特、量子糾纏、量子隱形傳態(tài)等。在眾多的量子技術語詞當中，對量子技術產生核心作用的是量子糾纏，以量子糾纏為例，可進一步分析該術語所涉及的意義、行為和意向等問題。

量子糾纏，是指當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統(tǒng)的性質。它是“存在于多子系統(tǒng)量子系統(tǒng)中的一種奇妙現(xiàn)象，即對一個子系統(tǒng)的測量結果無法獨立于對其他子系統(tǒng)的測量參數”[8]?！凹m纏”一詞最早是因為量子力學詮釋上的爭議(愛因斯坦和玻爾之爭)而引入。1935年，愛因斯坦等人提出著名的“EPR佯謬”，在提出“EPR佯謬”的那篇文章當中，愛因斯坦等人還提出了這樣一種量子態(tài)：

其中，這個量子態(tài)的基本特征是它不能寫成兩個子系統(tǒng)量子態(tài)的直積形式，即Ψ(x1,x2)≠φ(x1)φ(x2)，愛因斯坦等人提出這一量子態(tài)的本意是為了指出：“在承認局域性和實在性的前提下，量子力學的描述是不完備的”[9]，當時薛定諤最早將這種量子態(tài)稱為糾纏態(tài)。糾纏態(tài)讓玻爾意識到在考慮多粒子時量子理論會帶來量子效應，但當時不管是玻爾還是愛因斯坦，對糾纏態(tài)意義的理解都是非常有限的。1964年，貝爾提出的“貝爾不等式”首次將EPR與玻爾的爭論轉化為可以直接為物理實驗所驗證。經過多年的物理實驗，1982年首次證實了貝爾不等式被違背，從而否決了決定論的局域隱變量理論，進而肯定了量子力學所揭示的量子世界存在著許多反直觀效應。后續(xù)科學家們設計的更為先進的實驗，不斷證實存在這些反直觀效應，即存在兩個或多個量子系統(tǒng)之間的非定域非經典的關聯(lián)。自此，量子糾纏態(tài)這一語詞從檢驗量子力學這一科學理論的完備性轉向作為一種資源被應用于開發(fā)量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子計算等量子技術領域，其內含的疊加性和非局域性被用于服務人的新技術意志。在從量子力學詮釋到量子技術應用過程中，糾纏態(tài)的意義是不斷發(fā)展和變化的，不同時代該語詞的言說者，關于該詞的所指和意向也是不同的。

(二)量子技術的內在邏輯

在對量子技術的理解過程中，關于量子技術的內在邏輯主要涉及這樣幾個問題：量子技術與量子理論的邏輯關系、量子技術的演化邏輯、量子技術的技術設計邏輯、量子技術的符號表達邏輯，在關于這些量子技術邏輯的理解過程中，可以得到如下具有啟發(fā)性的結論。

關于量子技術的演化存在六個階段：一是量子力學展示的量子世界具有異于經典世界的特征(科學認知)；二是技術主體意識到這些特征可以讓人們獲得超越傳統(tǒng)通信技術的技術目標(技術目標)；三是為了達及新技術目標，技術主體設計出合適的技術方法(技術方法)；四是初級技術目標的物理實現(xiàn)(目標實現(xiàn))；五是由初級技術目標拓展到次級技術目標(目標更新)；六是目標更新帶來對新技術方法或技術改進的需求。簡單而言，量子技術的演化邏輯鏈：科學認知→ (技術目標-技術方法-技術實現(xiàn)-技術目標)1→ (技術目標-技術方法-技術實現(xiàn)-技術目標)2……。成熟技術方法的獲得，需要經歷基礎理論——技術原理——模型構造——實驗演示——工程實踐——技術產業(yè)化這樣一個技術的發(fā)展環(huán)節(jié)。

科學理論帶來的本體論爭議，不會妨礙據此理論進行技術設計的基本進程。通過技術方法所獲得的技術效果，可以驗證理論的科學性，并獲得新的本體論認識；技術效果的實現(xiàn)，可以驗證技術方法的合理性；技術的物理呈現(xiàn)，永遠是駁斥那些對新技術及其原理等持懷疑態(tài)度者的最強利器。

量子技術目標的實現(xiàn)，并不需要技術手段的全量子性，量子隱形傳態(tài)就是量子通信手段和經典通信手段的結合體。初級量子通信系統(tǒng)也不是直接傳輸量子態(tài)，而是安全地傳輸經典信息而已。

新技術源自新理論+舊技術，舊技術或舊技術群是創(chuàng)建新技術的基礎，新理論是開啟技術改造的思想火花。舊技術的交叉融合和自我改造不可能帶來顛覆性的新技術，新基礎理論才是技術革新的根本。

技術手段具有多選擇性，技術手段的每個構造細節(jié)具有多選擇性；理想的技術手段永遠在路上；技術手段設計細節(jié)的確定，有時只是技術主體權衡利弊后的無奈選擇，比如糾纏源的亮度和糾纏源的糾纏質量是相互矛盾而不可兼得的。

理論上的技術效果，永遠取決于現(xiàn)實中技術器件和技術流程設計的完美性程度，而器件和流程設計的非完美性所帶來的技術瑕疵，可以通過增加技術環(huán)節(jié)來加以克服。量子通信的絕對安全，需要理想的單光子源予以保證，但是理想單光子源技術難度極高，現(xiàn)實中是以單一強度弱相干態(tài)來替代單光子，為克服潛在的光子數分流攻擊，則增加了誘騙態(tài)協(xié)議環(huán)節(jié)。

四、量子技術“經典屬性與量子屬性”的關系詮釋

目前，關于量子技術的諸多爭議和制約其發(fā)展的基本問題是：身處經典世界的技術主體(人類)，如何能從局限性的經典視角理解、詮釋和構建純粹的量子技術世界？經典性的量子技術主體，如何跨入非經典的量子技術世界？人類是否永遠只能設計出經典+量子的“量子”技術，而無法觸及純粹的全量子技術？關于這些問題的詮釋，基本觀點表現(xiàn)為兩個方面。

一方面，量子元器件的外在實物呈現(xiàn)都是宏觀經典的。安全傳輸經典信息是量子通信技術應用初期的首要目的。量子隱形傳態(tài)的技術構建中包含了經典信息通信和量子信息轉移。其中，經典信息只涉及粒子的幺正變換操作，而不涉及任何有關未知態(tài)的內容。在1984年Bennett和Brassard所提出的量子保密通信協(xié)議(BB84量子通信協(xié)議)[8]里，明確需要一個輔助的經典公共信道傳輸經典的基矢比對等信息。

另一方面，在量子通信技術構造中，必須用宏觀經典材質(如BBO晶體)去構建能產生量子糾纏的宏觀經典元器件，是宏觀元器件將一個微觀光子劈裂為兩個糾纏的微觀光子。這意味著，量子世界的創(chuàng)建需要宏觀工具的介入。經典技術主體以宏觀工具為橋梁對量子世界進行構造，這種構造并不是去構建完完全全的量子世界，而只是構造能產生量子效應的宏觀裝置(宏觀世界)。利用這些量子效應，能以異于經典通信技術的方式去安全地傳輸經典信息。工具是經典的，構造工具的材質是經典的，工具傳遞的內容也是經典的(要傳遞的經典信息只是編碼在量子態(tài)上)，測量量子態(tài)的工具也是經典的，只是通過一系列宏觀裝置，產生了微觀光子量子糾纏態(tài)，并且發(fā)生了微觀光子量子態(tài)的轉移而已。而微觀光子也不可能是理想的單個光子，而是通過宏觀的單光子槍發(fā)射激光脈沖，所謂的單光子的質量是非常差的，因為要實現(xiàn)完全的單光子發(fā)光，就必須單獨地操縱一個特定的二能級系統(tǒng)，這在實驗實現(xiàn)上難度會非常大。一般是采用弱相干光脈沖產生技術，而這種技術本質上是將宏觀發(fā)射的相干光束衰減到微弱的單光子量級(獲得準單光子)，它本質上是大量原子躍遷的宏觀集體行為。

鑒于上面的分析，經典性的技術主體跨入量子技術世界就不足為奇了，畢竟這種量子技術世界只是經典的技術世界所構建的而已。量子技術家以經典通信技術去創(chuàng)建非經典通信技術(量子通信技術)，而這種非經典通信技術只是產生了經典通信技術沒有的功效而已。

五、量子技術與科學實在新詮釋

量子技術相比經典技術，最重要的新特征是：處于糾纏下的量子態(tài)的非定域性、量子態(tài)的不可克隆性、非正交量子態(tài)的不可區(qū)分性、量子計算邏輯中的否定平方根、量子并行計算、光量子的可存儲等，這些新技術特征反映了人們對科學實在的新理解和新詮釋。在關于技術與科學實在這一問題上，量子技術驗證了喬瑞金的觀點。他認為，科學實在的產生和發(fā)展，在其本性上得力于技術的進步，其中具體包括：技術進步通過證實或證偽科學發(fā)展過程中所斷定的科學實在的真實性與非真實性來推進科學實在思想進步；技術進步通過提供新的技術手段或工藝方法來改造實驗操作過程，從而提高科學認識的深度和精度，促使科學實在思想進步和完善；技術進步在其廣泛的應用過程中積累起無限的事實材料以供研究者們進行歸納、綜合或分析，從而形成新的科學實在思想的過程來促使科學實在思想進步[10]等方面?？梢哉J為，任何一項新技術的出現(xiàn)，其所帶來的對外在世界的新感知、對科學實在的新發(fā)展以及所引發(fā)的邏輯、語言、文化上的改變是必然的。而這種發(fā)展和改變得到認可并最終變成一種科學和文化共識，則往往通過兩種模式：一種是通過新技術的強大應用覆蓋面而在認識層面上無阻礙地快速轉變；另一種是由于新技術還處在初級的不成熟階段、在應用上存在局限性，從而在認識上需要克服舊技術共同體的認識阻礙而緩慢轉變。郝劉祥說得非常到位，“今天的物理學家難以接受量子力學中的非定域關聯(lián)，正如當年的科學家難以接受牛頓的超距作用觀念一樣?！盵11]量子技術不僅帶來科學實在的新發(fā)展，而且引發(fā)了科學認識論層面上的廣泛討論，其中，量子糾纏的非定域性給人們帶來了對傳統(tǒng)因果律的新思考。或許，正如內格爾在論述量子力學給因果性原理所帶來的沖擊時所言，“對因果律的堅定信仰，最終便可能成為理論創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)的障礙?！盵12]

六、構建哲學詮釋與量子技術研發(fā)之間的“形而中”之橋

當代量子技術發(fā)展還存在著如下幾個問題：如何保持量子技術系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性？如何制造出完美的量子元器件以消解器件制造所帶來的安全性問題？全量子技術能否實現(xiàn)？宏觀實物隱形傳態(tài)在技術上是否可能？假如前面兩個問題可以依靠純技術的改進去優(yōu)化解決的話，那么后面兩個技術問題實質上是兩個哲學問題，需要從哲學詮釋角度為解決技術問題提供方向指引。

全量子網絡技術，要求直接傳輸量子態(tài)和量子糾纏，而不是經典信息，這需要身處經典世界的人類在認知和操控上，脫離經典的枷絆，以格式塔轉變的方式進入一個全新的全量子世界。處于宏觀常態(tài)下的人類，需要在技術本體的體驗上超凡脫俗，并將對微觀量子世界的技術知識體會轉變成人們的物理技術常識。量子技術研發(fā)中對技術主體“人類”所提出的這一新要求，必然使得對哲學問題的詮釋成為引領技術發(fā)展的知識基礎。由此，在哲學詮釋與量子技術研發(fā)之間構建一座“形而中”之橋成為必須。的確，“如果說數學語言是自然界的句法，那么哲學分析的就是句法背后的語義”[17]。在量子技術設計當中，包含了大量的數學語言和數學模型，這些抽象的數學語言和數學模型，只有對其進行語義的哲學分析和詮釋，量子技術專家們才有可能構建出實在而有用的技術產品?？傮w上，量子技術有太多的語義問題需要從哲學層面上去進行澄清，這種澄清對當代社會的技術創(chuàng)新是非常必要的。李醒民認為，在科學研究當中，需要更多的“哲人科學家”[18]?？梢哉f，在技術研發(fā)當中，同樣需要更多的“哲人技術家”?？茖W、技術與哲學，必須構建起一個緊密的聯(lián)盟。

[注釋]

① 此文章為張江在國家社會科學基金重大攻關項目《量子技術的詮釋學研究》開題報告會上的發(fā)言，廣州，2020年11月。

② 這里關于量子技術的概述，主要為作者在理解尹浩、韓陽《量子通信原理與技術》一書的基礎上，對量子技術的核心技術要素所作的提煉。