【摘要】量子計算的發(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算的術(shù)語或量子信息理論的術(shù)語重新闡述量子力學(xué)的概念基礎(chǔ)，而是需要重新回答“理論是什么”這一基本問題。量子理論與實在不再是符合關(guān)系，而是同構(gòu)關(guān)系。理論的客觀性是通過對象與事實的互塑關(guān)系來保證的。物理學(xué)家建構(gòu)對象與解釋事實是同時進行的，并且是基于理論的，對象與事實的客觀性建立在觀察與實驗之基礎(chǔ)上。因此，對象與事實在理論與實在之間扮演了承上啟下的中介作用，量子理論是實在的映射，是在理解實在，而不是描述實在。
【關(guān)鍵詞】量子計算 對象 事實 理論 科學(xué)哲學(xué)
【中圖分類號】O413-02 【文獻標識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.008
成素梅，上海社會科學(xué)院哲學(xué)研究所副所長、研究員，《哲學(xué)分析》雜志主編。研究方向為科學(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：量子測量的解釋語境與實在論》《理論與實在：一種語境實在論的視角》等。
2020年12月4日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國科學(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個光子的量子計算原型機“九章”。自此，借助媒體的強大傳播力，量子計算這一深奧的學(xué)術(shù)問題成為了百姓熱議的話題。
這項研究成果開創(chuàng)了量子計算發(fā)展史上的一個里程碑，標志著我國在量子計算研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，體現(xiàn)了量子計算機在解決特定任務(wù)時較之傳統(tǒng)計算機所具有的絕對優(yōu)勢，這種優(yōu)勢通常被稱為“量子優(yōu)越性”或“量子霸權(quán)”。量子計算利用亞原子世界的基本特征來設(shè)計算法，是當前富有活力的前沿研究領(lǐng)域。以量子計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，也印證了我們運用經(jīng)典思維理解量子理論的不可能性。然而遺憾的是，當前關(guān)于量子計算蘊含的哲學(xué)智慧，既沒有引起科學(xué)哲學(xué)界的高度關(guān)注，也沒有得到充分研究和挖掘，更談不上有效汲取和借鑒。因此，非常有必要對這一問題進行系統(tǒng)地研討。
量子計算的理論基礎(chǔ)
人類自古以來就致力于發(fā)明和改進計算工具。從古老的“結(jié)繩記事”，到算盤，再到電子計算機誕生，在這條不斷計算化的發(fā)展道路上，如何加快運算速度、提高運算能力，始終是科學(xué)家們努力奮斗的重要目標。
特別是自20世紀90年代互聯(lián)網(wǎng)由軍用轉(zhuǎn)為民用以來，信息化和網(wǎng)絡(luò)化帶來的數(shù)字化與智能化發(fā)展深刻影響人類生存的方方面面，帶來了新一輪的文明轉(zhuǎn)型與社會轉(zhuǎn)型。在這個轉(zhuǎn)型過程中，試圖理解世界的每一個人都無法忽視算法的作用，或者說，算法已經(jīng)成為人類觀察世界的透視鏡和過濾器。
量子計算是計算機科學(xué)的一個子領(lǐng)域，涉及量子力學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)等學(xué)科。量子計算機科學(xué)家關(guān)心的問題是，如何將奇異的量子特性變成可供利用的計算資源，這項工作預(yù)設(shè)了量子力學(xué)的實在性；而量子物理學(xué)家關(guān)心的問題則是，如何找到支配量子系統(tǒng)變化發(fā)展的定律。事實上，量子力學(xué)揭示的定律比我們在日常生活中能夠理解的定律更加奇特和不可思議，也更加有力、更加精彩。量子力學(xué)是反直覺的，我們無法根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的概念框架來理解其基本原理。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)出波動性；微觀粒子的行為表現(xiàn)隨測量設(shè)置的變化而變化；特別是，對于兩粒子或多粒子系統(tǒng)而言，曾經(jīng)作用過的兩個或多個粒子，在它們彼此分離開來之后，不管相距多遠，對一個粒子的測量都會“影響”到另一個或其他粒子的存在狀態(tài)，這即是量子物理學(xué)家薛定諤對于“量子糾纏”的定義。就如何更好地理解這些與常識相差甚遠的現(xiàn)象，引發(fā)了關(guān)于物理學(xué)基本問題的哲學(xué)爭論。
有意思的是，在這些爭論遠未塵埃落定之前，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）在20世紀80年代初召開的一次計算物理會議上指出，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。因為當我們進入極小極小的微觀世界時，這個世界遵循的量子力學(xué)原理會向我們提供全新的機會，使我們能夠期待做一些截然不同的事情。這是費曼最初提出量子計算的思想基礎(chǔ)。在費曼看來，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的量子計算中起到根本性的作用。基于這種想法，他首次提出了一個利用量子體系進行計算的抽象模型，從而開啟了把量子理論與計算機科學(xué)相結(jié)合的嶄新領(lǐng)域——量子計算機。從理論上講，量子計算機是利用量子力學(xué)的基本原理進行計算、存儲和處理量子信息，從而實現(xiàn)量子計算的機器。
1985年，英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維·多伊奇（David Deutsch）設(shè)計了有關(guān)量子計算機的雛形，提出了“量子圖靈機”，完成了與經(jīng)典圖靈機模型的對應(yīng)，標志著量子計算機的研究開始步入軌道。然而，量子計算機的發(fā)展極其緩慢，直到20世紀90年代之后，量子計算機的研發(fā)才逐步成為發(fā)達國家關(guān)注的熱點與焦點，從而加快了將費曼的夢幻般的理論預(yù)言向著日益接近現(xiàn)實方向發(fā)展的進程。量子計算機的突破性進展基于下列兩種算法的提出。
其一，1994年，美國電話電報公司研究中心的計算機科學(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)分解問題的量子算法，即分解大數(shù)質(zhì)因子量子算法，也稱之為“肖爾算法”。這種算法比傳統(tǒng)計算機運算速度快指數(shù)倍，從而為量子計算的發(fā)展開辟了道路。之后，世界眾多研究小組加入該研究行列，在量子計算研究領(lǐng)域不斷取得重大進步。所謂大數(shù)質(zhì)因子分解是指，把一個大整數(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，貝爾實驗室的洛弗·格羅弗（Lov Grover）提出了一種量子搜索算法，也稱為“量子格羅弗算法”。在傳統(tǒng)搜索算法中，由于解空間過大，導(dǎo)致了需要搜索的路徑過多。因此，經(jīng)典搜索策略主要是設(shè)法減少實際搜索空間。而對于量子搜索算法來說，搜索所有的路徑不再是困難所在，問題在于，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。打一個比方來說，搜索算法解決問題就像是一個人在汪洋大海上尋找目標。傳統(tǒng)算法類似于近距離搜尋目標，因此，每次找到的目標有限；而量子算法相當于高空遠距離搜索目標，可以鳥瞰到整個海面，但是，由于距離遙遠，看到的是一幅模糊的畫面。為了看清目標，要設(shè)法突出目標“顏色”，同時使其他點的顏色變淡，從而使目標更清晰、更突出醒目。這里“顏色”的深淺就相當于振幅的大小。
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，量子計算機能以平方根加速所有的搜索過程?；诹孔恿W(xué)基本原理設(shè)計的這兩個重要算法，將量子計算機的研究推向了高潮。量子圖靈機計算與傳統(tǒng)圖靈機計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能級的量子系統(tǒng)，它的狀態(tài)由希爾伯特空間的基矢量疊加而成。在經(jīng)典計算機中，經(jīng)典比特可以用兩個邏輯值來表示：是與否、真與假、對與錯、開與關(guān)等，通常用二進制的0和1表示。在量子計算機中，當用０（｜０＞）態(tài)和１（｜１＞）態(tài)表示1個原子所處的基態(tài)和激發(fā)態(tài)時，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N個量子比特的單次操作，等效于同時對2N個基矢量做了變換。也就是說，一次量子操作，完成了經(jīng)典計算機需要2N次操作才能完成的計算。因此，用量子態(tài)代替經(jīng)典態(tài)將達到不可比擬的運算速度。
量子圖靈機具有的這種并行性計算能力是由量子力學(xué)原理所賦予的。不過，當我們要讀出信息時，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，原則上量子計算是一種概率計算。而量子計算的并行性特征恰好是量子計算機優(yōu)于經(jīng)典計算機最重要的特征之一。從總體上說，科學(xué)家要建造量子計算機，必須創(chuàng)造一個物理系統(tǒng)，在這個物理系統(tǒng)中，每個相互作用都能得到很好的控制，計算機中的態(tài)之間的相互作用變得很強，且不會由于與環(huán)境的作用而退相干。然而，這一步是很難實現(xiàn)的。
近三十年來，量子計算機在理論和實踐上的發(fā)展都十分迅速。從理論上看，科學(xué)家已經(jīng)能夠演示量子計算機的工作原理、量子邏輯門操作、量子算法和量子編碼等，證實了量子計算機的實現(xiàn)在理論上不存在不可逾越的障礙。但是在實踐中，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)相當致命，會大大降低量子計算效率，使有效計算變成無效計算。因此，如何實現(xiàn)容錯量子計算，確保最終輸出的可靠性，一直制約和阻礙著量子計算機的研制進程。當前研究的主要方向，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現(xiàn)的算法過程等；另一方面則是探索如何能夠制造出基于量子力學(xué)的計算芯片，而這一項工作依然任重而道遠，甚至還有很大的不確定性。
2019年10月，谷歌公司率先宣布實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”；2020年12月，九章量子計算原型機的問世，標志著我國成為世界上能夠?qū)崿F(xiàn)“量子優(yōu)越性”的第二個國家。雖然目前量子計算機的研發(fā)還處于十分初級的階段，但只要取得一點進展，就會令人歡欣鼓舞。從哲學(xué)意義上來看，這種發(fā)展也間接地印證了作為量子計算理論基礎(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在性。問題在于，當長期以來一直充斥著最為深刻的哲學(xué)爭論的認知事實，通過技術(shù)現(xiàn)實的方式印證了其實在性時，需要我們以接受這些新特性為起點，深入挖掘其中的哲學(xué)意蘊，而不是依然堅守傳統(tǒng)的經(jīng)典實在論，來質(zhì)疑新的哲學(xué)見解。
對象與事實的互塑
在量子信息技術(shù)發(fā)展史上，20世紀以量子計算和量子信息理論的崛起而告終，21世紀則以量子計算和量子信息理論與技術(shù)的大力發(fā)展而開始。但是，這并不意味著能夠用量子信息理論的術(shù)語來重新闡述量子力學(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”的基本問題，[2]以及重新揭示對象與事實以及理論與實在之間的內(nèi)在關(guān)系。
從方法論的視域來看，物理學(xué)家提出理論概念的初衷，并不僅僅是為了達到實用的目標，更重要的是為了融貫地理解正在發(fā)生的事情本身；量子計算機科學(xué)家的工作則是解決特定的問題，其目標在于根據(jù)量子力學(xué)提供的基本原理建造能夠成功應(yīng)用的新的計算機器或新的人造物，因此他們的思維習(xí)慣通常是遵守實用主義的原則，具有很強的目的性。相比之下，對于深耕概念分析的哲學(xué)家而言，實用主義對他們辨明基礎(chǔ)性問題是無助的，正如“垃圾食品”無益于人的身體健康一樣。哲學(xué)家通常能夠在從前認為很好的解決方案中找出存在的問題。
量子計算的發(fā)展表明，當工程實踐的進展超越了以愛因斯坦和玻爾為代表的量子物理學(xué)家關(guān)于理論本性等問題的哲學(xué)爭論時，我們對作為設(shè)計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：即從過去像愛因斯坦那樣，堅守經(jīng)典實在論來質(zhì)疑量子理論的完備性和實在性的做法，以及對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重新理解與界定微觀對象、事實、理論、實在之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建構(gòu)一種更具包容性的量子實在觀。
在經(jīng)典物理學(xué)的研究傳統(tǒng)中，研究對象就是現(xiàn)存的實在本身，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行直接操作，要么可以通過儀器來間接地看到它們或?qū)λ鼈冞M行間接操控，并借助實驗和數(shù)學(xué)方法來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，不會對對象的存在形態(tài)等產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。物理學(xué)家在這一認知過程中，根據(jù)物理學(xué)概念與對象之間的直接指稱關(guān)系來把握概念的意義，也就是說，概念能夠在不依賴于任何理論的前提下直接指向?qū)嵲诒旧?，這種指稱通常被稱之為“真指稱”（real reference）。就像大人教小孩認識物體一樣，概念與對象具有一一對應(yīng)關(guān)系。因此，由包含“真指稱”關(guān)系的概念與語言構(gòu)成的理論，順理成章地成為對實在世界的描述。在這種概念圖景中，對因果關(guān)系的追溯屬于本體論問題，而不是認識論問題。
然而，量子力學(xué)的誕生，特別是量子計算等量子信息技術(shù)的實現(xiàn)，對這種將認識論問題本體論化的思維方式和經(jīng)典實在論提出了巨大的挑戰(zhàn)。這也是20世紀兩位偉大的物理學(xué)家愛因斯坦和玻爾就量子力學(xué)的基本問題爭論不休的關(guān)鍵所在。在量子力學(xué)中，諸如光子、電子之類的微觀粒子是依賴于理論的“實體”，而不再是量子物理學(xué)家能夠直接或間接地看到的實在本身。因此，微觀粒子的指稱不再是“真指稱”，而是“理論上的指稱”（theoretical reference）或“推定的指稱”（putative reference）。在這種指稱關(guān)系中，量子物理學(xué)家不可能是先擁有對象、再說明事實，而是建構(gòu)對象與說明現(xiàn)象同步進行；這樣，微觀對象與科學(xué)事實之間的關(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，成為互為前提的共存關(guān)系。
鑒于九章量子計算原型機是以光子為資源來構(gòu)建的，所以，這里就以“光電效應(yīng)”為例闡述對象與事實之間的互塑關(guān)系。光電效應(yīng)是指，當一束光照射在金屬表面時，如果光的頻率大于金屬中電子逸出的極限頻率，金屬表面就會有電子逸出，稱之為“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，而與照射光的強度無關(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，物理學(xué)家運用當時普遍接受的光的波動說一直無法說明這種現(xiàn)象。1905年，愛因斯坦將普朗克提出的能量子假說推廣到光的情況，提出了“光的粒子說”，認為光是由一份一份不連續(xù)的或離散的光量子（后來簡稱之為“光子”）組成的，而不是連續(xù)性的波動。當頻率大于某個極限頻率的照射光照射到金屬表面時，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，即使照射光的強度很弱，也是如此。而當頻率小于某個極限頻率的照射光照射到金屬表面時，無論照射光的強度有多大，金屬表面都不會有電子逸出。
據(jù)此，愛因斯坦利用“光的粒子性”假說，很好地說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，以及光電子的能量為什么只與照射光的頻率有關(guān)，而與照射光的強度無關(guān)的事實。1916年，密立根證實了愛因斯坦的光量子理論的正確性，愛因斯坦也因此榮獲1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。“光子”概念進入物理學(xué)家研究的視域后，物理學(xué)界達成了光具有波粒二象性的共識，基于這一共識德布羅意在他的博士論文中通過類比提出了“物質(zhì)波”概念；而“物質(zhì)波”概念的提出，又進一步成為薛定諤創(chuàng)立具有劃時代意義的“波動力學(xué)”的源起和基礎(chǔ)；量子理論在創(chuàng)立幾十年之后，又成為了量子計算和量子信息理論與技術(shù)的理論資源。
在這個案例中，愛因斯坦提出的“光子”概念之所以被物理學(xué)界所接受，是因為它很好地說明了“光電效應(yīng)”現(xiàn)象，反過來說，“光電效應(yīng)”現(xiàn)象之所以能夠得到很好的說明，變成一個科學(xué)事實，是因為愛因斯坦提出了“光子”概念。在這里，“光子”作為對象與“光電效應(yīng)”作為事實，具有互塑關(guān)系，兩者既同時成立，又都是由“光的粒子說”建構(gòu)起來的。
意大利科學(xué)哲學(xué)家馬爾切洛·佩拉（Marcello Pera）在闡述“認識論與修辭策略”時，以“太陽黑子”為例更廣泛地闡述了同樣的觀點。他論證說，假設(shè)“太陽上有斑點”是某位天文學(xué)家的觀察報告，且這個觀察報告是理論性的，其他天文學(xué)家必然會對這一理論性的觀察報告展開驗證和討論。只有當天文學(xué)家之間達成共識時，“太陽黑子”這個概念才能成為一個對象，“太陽上有斑點”才能成為一個事實。在這里，佩拉區(qū)分出“看見”和“看出”兩個概念：
（1）某人看見現(xiàn)象a1，a2，…an；
（2）某人看出a1，a2，…an是A（A=太陽黑子）
佩拉指出，在這個過程中，“看見”是與認知無關(guān)的“看”，而“看出”是與認知相關(guān)的“看”。與認知無關(guān)的“看見”只適用于日常范疇，比如，時間順序、空間布局等；而與認知相關(guān)的“看出”則需要運用適用于感知對象a1，a2，…an的概念。例如太陽黑子，這個概念本身是依賴于理論的，一個人如果沒有天文學(xué)知識，就無法看到太陽上有斑點。[3]這種觀點也可以進一步推廣到我們的日常生活當中，比如說，缺乏相應(yīng)醫(yī)學(xué)知識的病患，無法看懂醫(yī)院提供的各類檢查結(jié)果?？茖W(xué)哲學(xué)家漢森（N. R. Hanson）早在20世紀50年代就將這種情況概括為“觀察負載理論”。然而，令人遺憾的是，包括漢森在內(nèi)的科學(xué)哲學(xué)家并沒有將這種智慧擴展到理解科學(xué)對象與科學(xué)事實之間的相互關(guān)系方面?，F(xiàn)在看來，“觀察負載理論”不只強調(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）來創(chuàng)構(gòu)對象（光子）和說明事實（光電效應(yīng)），還是運用公認的理論知識來“辨認”或“看出”某個事實（太陽上有斑點）而形成新的對象（太陽黑子），二者都揭示出：在科學(xué)研究與科學(xué)實驗中，對象與事實實際上是理論建構(gòu)的產(chǎn)物，對象與事實之間的關(guān)系就像上與下、左與右這些具有相對性的概念之間的關(guān)系一樣，是相互依存的互塑關(guān)系。問題在于，如果對象與事實成為依賴于理論的產(chǎn)物，那么，理論就不再是對實在的直接描述或表征，或者說，不再像經(jīng)典實在論所認為的那樣，是實在的復(fù)印件或直接畫像。這就進一步提出了如何理解量子理論與實在的關(guān)系問題。
理論與實在的同構(gòu)
我們需要區(qū)分兩層關(guān)系：實在與對象的關(guān)系；對象與理論的關(guān)系。在實在、對象、理論之間，對象起到了承上啟下的作用，成為溝通“實在”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“實在”與“對象”之間簡單地劃等號，將一切認識論問題本體論化，將理論看成是對實在本身的描述與表征。微觀實在只具有本體論的優(yōu)先性，是確保科學(xué)研究得以進行的基本前提，無法直接進入物理學(xué)家的認知視域，能夠進入物理學(xué)家認知視域的是“對象性實在”。
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表示，他將微觀粒子看成一種“抽象的”實在，認為只有當我們進行觀察時它才在那里，當我們不進行觀察時，它只是希爾伯特空間中的一個算符。[4]這種觀點也說明，我們不能再將“微觀粒子”看成是“自在實在”本身，而只能看成是“對象性實在”。對象雖然是理論建構(gòu)的產(chǎn)物，是經(jīng)由人的認知理解之后才作為對象而存在，其固有規(guī)定也體現(xiàn)在與人（包括測量在內(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。對象的客觀性是通過對象與事實的互塑關(guān)系來保證的，因為對象與事實共同植根于實驗現(xiàn)象之中，是同一實驗現(xiàn)象的兩個方面，而實驗現(xiàn)象則是由自在實在與特定的測量環(huán)境共同作用之后產(chǎn)生的，經(jīng)受過嚴格檢驗的實驗現(xiàn)象的物質(zhì)性及其理論理解的融貫性，使科學(xué)對象和科學(xué)事實具有了一定程度的客觀性。
因此，對象與事實的客觀性成為打通理論與實在相關(guān)的中介。為了更加明確地說明問題，下面我們將理論劃分為兩種類型。
一是“說明性理論”（explanatory theories，簡稱E理論）。意指用理論術(shù)語來闡述并接受實驗檢驗的假設(shè)，這些假設(shè)說明了事實和規(guī)律性。E理論一旦被科學(xué)家所承認，就會成為可以加以利用的科學(xué)知識。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)語來闡述的，它不僅使普朗克在1900年提出的量子假設(shè)成為它的一個推論，而且還為人們思考微觀物理現(xiàn)象與認識微觀世界提供了有效的語言框架，帶來了量子信息技術(shù)和相關(guān)新型學(xué)科的發(fā)展。說明性理論由于能夠提供說明，因而是可以接受經(jīng)驗檢驗的理論，或者說，可以被經(jīng)驗所證實或證偽。如果一個說明性理論的預(yù)言能夠得到經(jīng)驗的證實，那么，它提供的關(guān)于實在的數(shù)學(xué)模型與物理模型，就與實在本身具有一定程度的同構(gòu)性。
二是“解釋性理論”（interpretative theories，簡稱I理論）。意指對世界及其具體領(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，要么是特定的說明性理論的基本前提所蘊含的一種哲學(xué)解釋，是在總結(jié)過去認知結(jié)果的基礎(chǔ)上形成的。但是，它不等同于認知結(jié)果。就其目標而言，這種“假設(shè)的目的不是提供說明，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]。這類假設(shè)提供的是形而上學(xué)的觀點，既不可能被經(jīng)驗所證實，也不可能被經(jīng)驗所證偽。解釋性理論所提供的假設(shè)通常有兩種類型：一是科學(xué)研究得以進行的普遍假設(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)于世界基本實體的假設(shè)，E理論提供的是對這些實體行為的說明，所以，E理論與I理論的變化并不總是同步的。每一個E理論都與一個I理論相聯(lián)系，比如，牛頓的萬有引力理論（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I理論可以同時與多個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）、相對論力學(xué)（E理論）等相聯(lián)系。這表明，I理論的變化一定會帶來E理論的變化，而E理論的變化則不一定總是帶來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)於鞯脑拋碚f，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)的觀念問題。當量子計算和量子信息理論與技術(shù)已經(jīng)取得了實質(zhì)性進展時，我們就需要依據(jù)實驗事實和技術(shù)應(yīng)用來接受新的I理論，比如，根據(jù)量子物理過程生成純隨機數(shù)方面取得的突破性進展，接受光子等微觀粒子確實是以無法預(yù)先確定的概率形式存在的事實，正如彼得·比爾霍斯特（Peter Bierhorst）所言，“隨機性存在于宇宙中，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)。
當物理學(xué)家既接受新的E理論，也接受新的I理論時，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光子等微觀粒子的存在性，但這種存在性并不等同于實在性。因為如果離開現(xiàn)有的E理論與I理論，就無法知道這些粒子的存在。因此，這些粒子在作為我們用來描述其術(shù)語的“理論上的指稱”或“推定的指稱”的意義上是真實的，也就是說，就“自在實在”向我們呈現(xiàn)的方式而言，它們是真實的，但一旦離開其呈現(xiàn)方式，就不再為真。因為它們并不是“真指稱”，而是承載理論的指稱。因此，我們既不能簡單地說對象和事實與實在相符，也不能說理論描述了實在，而只能說，理論是實在的映射，是在理解實在，而不是描述實在。
描述實在是對實在本身的刻畫和對實在行為的揭示，描述的對錯由是否與實在相符合來加以判斷；而理解實在則是對實在在特定條件下的認知內(nèi)容的具體表達，或者說，是對自在實在機理的整體模擬，而不是直接的言說或描述。機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）的動態(tài)過程中完成的。在這個過程中，認知主體由扮演“上帝之眼”的角色變成了建構(gòu)者的身份。從這個意義上來說，理論與實在只具有同構(gòu)關(guān)系，而不存在一一對應(yīng)的符合關(guān)系。
綜上所述，量子計算的哲學(xué)意蘊是多方面的，本文限于篇幅只揭示了對象與事實的互塑關(guān)系以及理論與實在的同構(gòu)關(guān)系。這兩對關(guān)系的揭示既能說明為什么“認識論的突變”往往會導(dǎo)致本體論的修正，也能說明為什么量子理論的基本原理能夠成為量子計算的物理資源。
（本文系國家社科基金重大項目“當代量子論與新科學(xué)哲學(xué)的興起”和國家社科基金重大項目“當代量子詮釋學(xué)研究”的階段性成果，項目編號分別為：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》，成素梅、李洪強譯，上海科技教育出版社，2006年，第150～151、109頁。
[4]參見成素梅：《如何理解微觀粒子的實在性問題：訪問斯坦福大學(xué)的趙午教授》，《哲學(xué)動態(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
