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关于量子技术的几点哲学思考
吴国林
华南理工大学科学技术哲学研究中心
摘要：量子技术是基于量子力学和量子信息理论的新型技术，它不同于经典技术。量子技术具有迭加性、相干性、全同性、纠缠性或隧道效应等特点。量子技术的发展并不具有技术的自主性，而是量子科学的应用。量子技术对于确认量子实在具有重要作用，它支持了波函数的实在性。
关键词：经典技术；量子技术；量子信息；自主性
自1900年能量子概念诞生以来，在近1个世纪的探索中，量子力学取得了极大的进展。但是与量子力学的成长相伴随的是，有关量子力学的论争一致没有停下来。1935年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在《物理评论》发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》一文，引发了对量子力学基本问题的论争，进而引发了20世纪70年代以来，一连串的物理实验检验贝尔不等式。迄今为止的EPR实验中，总的倾向是支持量子力学的。
原来作为佯谬的EPR论证，在20世纪90年代获得了新的生命：EPR关联不仅不是佯谬，而且是一种重要的资源。1993年，研究量子信息的权威本内特（C. H. Bennett）等四个国家的6位科学家联合在《物理评论快报》发表题为《经由经典和EPR通道传送未知量子态》的论文，引出了一系列富有成效的研究。1997年9月，中国科技大学学者潘建伟与荷兰博士波密斯特尔等合作完成了“实验量子隐形传态”[[1]] 在《自然》杂志报道了量子隐形传态的实验结果，该文是将量子力学原理应用到量子信息处理研究的一个重大实验突破。2000年，本内特等在《自然》杂志上撰文认为，量子信息理论已开始将量子力学与经典信息结合起来，成为一门独立的学科。[[2]] 量子隐形传态（quantum teleportation）基于量子纠缠，量子纠缠是量子信息的根本性特点。20世纪后半期，量子计算、量子密钥分配算法和量子纠错编码等3种基本思想的出现，标志着以量子力学为基础的量子信息论基本形成。量子信息论及其相应的成功实验催生了量子技术的诞生。
本文将初步讨论量子技术所引出的几个哲学问题。 一、量子技术与量子科学的关系
关于科学与技术的关系，是技术哲学的一个基本问题。为讨论问题的方便，我们把量子力学与量子信息论统称为量子科学。
一般而言，从技术本身（实际上是经典技术）来看，我们把技术的要素主要分为经验性要素、实体性要素与知识性要素。技术是由这三类要素相互作用生成的。经验性要素主要是经验、技能等这些主观性的技术要素，主要强调技术具有实践性。实体性要素主要以生产工具、设备为主要标志，主要强调技术具有直接变革物质世界的能力，变革天然自然、人工自然或技术人工物。知识性要素主要是以技术知识为标志，强调现代技术受技术理论和科学的技术应用的直接影响。[[3]]
我认为，量子技术也包括这三类要素，量子经验性要素、量子实体性要素和量子知识性要素。量子经验性要素表明量子技术的使用也需要有人的经验的积累，但它并不构成量子技术的主要性要素，这一要素的作用可以忽略。量子实体性要素是量子知识性要素的载体，表现为量子技术人工物（量子技术客体）。量子知识性要素主要是指量子技术是量子力学和量子信息论等量子理论的应用。没有量子理论就不可能有量子技术，也不可能凭宏观的技术经验发明出量子技术人工物。
下面我们将讨论的激光器、晶体管与扫描隧道显微镜等，它们都是量子理论的直接或间接的发明物，量子信息技术更是量子理论的产物。因此，量子技术必定是量子理论的应用。
量子技术的进展特别表现为量子技术人工物的发明，具体表现为以下几种情况：
（1）1900年，物理学家普朗克提出了“能量子”概念，标志着量子力学新纪元的开始。爱因斯坦于1905年提出了“光量子假说”以解释“光电效应”。1916年，爱因斯坦指出辐射有两种形式：自发辐射和受激辐射。受激辐射成为激光器的发明的重要理论基础。受激辐射是指一个处于高能态的粒子在一个频率适当的辐射量子的作用下，会跃迁到低能态，并发射一个频率和运动方向同入射量子全同的辐射量子。受激辐射和粒子数反转概念、无线电电子学中的反馈概念、光子学中的干涉仪器件综合起来形成了激光器的思想。激光技术是以量子理论为主的现代物理学和现代技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出量子理论对激光技术发明的预见性。
（2）1926年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，研究全同粒子系统。他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色—爱因斯坦统计。如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从费米—狄拉克统计。1928年，索未菲将费米—狄拉克统计用于电子气体，发展出了量子的金属自由电子气体模型，这是不同于经典的自由电子气的新的、量子机制的金属电子论。后经布洛赫研究，提出了固体的能带论，后有固体量子论的提出。最终在贝尔实验室的规划下，并在量子力学的指导下研究固体量子理论，1947年晶体管得到发明。
（3）量子力学中有一个著名的量子效应，即量子隧道效应。在经典物理中，粒子不能越过能量大于它的势垒而进入到另一个区域。而在量子力学中，即使粒子能量小于势垒高度，粒子仍有一定的概率能穿透势垒而进入势垒后的区域，好像在势垒中有一个“隧道”能使少量粒子穿过而进入垒后区域，这就是量子隧道效应。1981年，IBM公司苏黎士实验室的宾尼和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描隧道显微镜(STM)。STM正是利用隧道电流对间距a变化的敏感性来工作的。STM的扫描过程描述为，针尖在扫描控制系统的控制下，可沿样品表面作三维移动，随着样品表面的起伏，针尖—样品间距将发生变化，隧道电流随之变化。STM发明以后，相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与STM相似的显微仪器，构成了一个不断发展的“扫描探针显微镜”家族，它们具有广泛测量与微加工等用途。
（4）量子力学与信息科学的结合产生了量子信息技术。量子信息（quantum information）是近10年来受到国内外高度关注的重要理论问题和技术问题。
上述的四种量子技术中，前三种情形是通常意义上的量子理论对量子技术的启示或某种程度的应用，它们并没有带来大规模的量子技术的广泛应用，量子理论与量子技术之间的关系有的是直接的，有的则是间接的。第四种量子技术，即量子信息技术直接建立在量子理论的基础之上，而且还建立了量子信息论，将量子理论的研究与应用提升到一个新的水平，为量子技术的应用开辟了广阔的前景，量子信息技术以量子纠缠作为其基本标志。前三种量子技术的产生时期都是将量子纠缠（包括EPR关联）作为一个概念或作为一种有待确定的东西或佯谬来看待，而量子信息技术则是将量子纠缠作为一个基本的物理性质或物理事实来看待，这就是说，量子纠缠从概念或佯谬到科学事实是量子技术发生突变的分界判据。
实际上，量子技术已正在形成相当大的一个高技术群。道林（Jonathan P. Dowling）和密尔本（Gerard J. Milburn）在《量子技术：第二次量子革命》中，将量子技术分为五大类：量子信息技术、量子电机系统、相干量子电动学、量子光学和相干物质技术。量子信息技术包括量子算法、量子密码学、量子信息论；量子电机系统包括单自旋磁力共振显微镜方法；相干量子电子学包括超导量子电路、量子光子学、自旋学、分子相关量子电子学、固态量子计算机；量子光子学包括量子光学干涉仪、量子微影术和显微镜方法、光子压缩、非相互作用成像、量子隐形传态；相干物质技术包括原子光学、量子原子引力梯度测量仪、原子激光。[[4]] 这里的分类中，也有交叉，比如，量子隐形传态不仅可以用光子偏振等实现，也可以利用原子等微观粒子的性质来实现，量子隐形传态可以归入量子信息技术之中。比如，戴葵等在《量子信息技术引论》中，将隐形传态归入量子信息技术。[[5]]
通常的技术是经典技术，它能够在经典力学的框架中得到理解。对于量子技术来说，有两种力学推动它的产生，一是从实践上来看，技术创新推动器件的小型化，最终这些器件将在长度上到达纳米尺度，在作用量上到达普朗克常数的尺度。按照莫尔定律，计算机芯片的集成度每18个月将翻一番。当集成电路线宽小于0.1微米时，量子效应开始影响电子的正常运动，解决问题的一种途径只能利用量子力学理论来解决。二是从更基础的意义上看，量子力学的原理给我们在经典的框架内改进器件的性能提供了可能。如果以普朗克为代表的起始于20世纪初的第一次量子革命，主要是检验量子力学是否正确和完备，仅有少量的基于量子力学的量子技术产品的问世，那么，第二次量子革命起始于20世纪末，通过利用量子力学的有关规律和原理，发展新的量子技术。量子技术在于利用量子科学的规律来组织和控制微观复杂系统的组成。
显然，量子技术就是量子科学的应用。于是，我们可以作如下的界定：量子技术就是建立在量子力学和量子信息论基础之上的新型技术。没有量子理论就不可能有量子技术，也不可能凭宏观的技术经验发明出量子技术人工物。不论是前面的激光器、晶体管，还是扫描隧道显微镜等，它们都是量子理论的直接或间接的发明物，量子信息技术更是量子理论的产物。因此，量子技术必定是量子理论的应用。 2 量子技术与经典技术的联系与区别
量子技术作为一种新型技术，它具有不同于经典技术的新特点，具有下述的一个或几个量子性质：
（1）量子迭加性。量子力学中的态叠加原理可以描述为：若量子力学系统可能处于和 描述的态中，那么 中的线性叠加态也是系统的一个可能态。如果一个量子事件能够用两个或更多可分离的方式来实现，那么，系统的态就是每一可能方式的同时迭加。
（2）量子相干性。所谓相干性，是指波在传播时，其物理量在不同地点或不同时间的某种相关特性，它是由波的相位的变化而产生的。比如，光通过双缝衍射后，就会在接受屏上产生明暗相间的纹。在量子力学中，微观事物都具有波动性，它们可以用量子态来描述。这些量子态之间可以发生相互干涉，这就是量子相干性。量子相干性也是一种整体性，它使得既有局域的自由与全域的粘连相统一。
（3）量子隧道效应。在经典力学被排除存在粒子的区域，量子粒子可能在此区域被发现。在经典力学中可以存在粒子的区域，量子粒子可能在此区域不被发现。
（4）全同性原理。在量子力学中，存在全部内禀属性（质量、电荷、自旋等）完全相同的全同粒子。全同性原理是指全同粒子具有无法分辨性。它告诉我们，如果交换系统中任意两个全同粒子所处的状态和地位，将不会表现出任何可以观察的经典物理效应。
（5）量子纠缠性。分离态是两个子系统纯态的直积态；反之，如果复合体系的一个纯态不能写成两个子系统纯态的直积态，则该纯态就是一个纠缠态。也就是说，量子纠缠是指两个（或多个）量子系统的态之间具有关联性，而且是一种非定域的关联。
上述这些量子性质中的一个或几个应用到现行或正在涌现的技术之中，就成为量子技术。尽管这些量子理论的原理已发现了相当长的时间，但是，我们应用这些原理来设计的量子器件并不多。除了基本的量子力学的基本原理之外，量子技术将需要一系列的通用的特殊工具，这些工具包括：测量学、量子控制、量子通信和量子计算。
按照量子技术与量子科学之间的间接或直接的关系，我们可以把量子技术分为广义量子技术与狭义量子技术。广义的量子技术是指量子技术的形成或多或少受到量子理论的直接或间接影响，包括在观念上的影响，如晶体管发明等。而狭义的量子技术就是指技术的形成直接依赖于量子理论，它受到了量子科学的直接影响。比如，扫描隧道显微镜、量子信息技术等。
狭义量子技术形成的标志是大规模的、各种类型或性质的量子器件的生产成为可能，标志着量子产业正在出场。从另一个角度来看，大规模的量子技术的开发与使用离不开量子控制技术。比如，通过量子控制技术来保证量子技术的稳定性。
量子技术是量子科学的应用。量子技术并不独立于经典技术，它们之间的联系主要表现在：
（1）量子技术与经典技术都需要有实体性人工物作为载体。就如经典物理学与量子力学的联系一样，经典技术可以归结为量子技术的特殊情形。
（2）量子技术与经典技术都是描述技术的不同层面，是相互联系的。量子技术与经典技术是相互补充、相互统一的。量子技术的处理都不能离开经典技术，量子技术必须要有经典技术作为辅助手段，或者说，尽管量子技术处理的是量子信息与微观客体，但是，量子技术最终都离不开经典技术，微观的量子现象都必须呈现为客观的经典现象。
（3）从实际的操作层面来看，量子技术都必须转换为经典技术，并对经典世界产生不同于经典技术的作用。量子技术最终要转变成为经典技术，即量子技术中总有从微观到经典的转换过程。量子技术的经典结果是波函数的绝对值的平方后的东西，也就是具有非线性。可见，量子技术系统的经典输出与量子输入之间是非线性关系。
（4）从信息的传送通道来看，经典技术处理经典信息，而量子技术处理量子信息，但是，经典信息与量子信息都必须有经典信道才能完成经典或量子信息的传递。
量子技术与经典技术更有本质的区别，主要表现为两点：
（1）两者依据的科学理论不一样。量子技术一定依赖于量子理论的指导，而经典技术不一定依赖于科学理论的指导。就经典技术来说，有的经典技术依赖于科学；有的经典技术并不依赖于科学；有的经典技术就是经验的总结，或者来源于劳动者的反复操作所形成的技能。实际上，技术的起源早于科学。经典技术有其自身的发展逻辑。但是，量子技术必须依赖于量子理论，量子技术不可能按照经典技术的逻辑而推演出来，就如量子力学与量子信息论不可能从经典力学中推演出来。从科学与技术的关系来看，当代最先进的经典技术依赖的是经典科学；量子技术依赖的是量子科学，包括量子力学与量子信息理论。
（2）从信息的传递来看，技术总是要对一定的信息进行处理。从海德格尔的现象学来看，只有当技术在被使用，并不被作为一个对象来使用时，技术本质才能被揭示出来。也就是说，技术只有与现实世界相联系时，才成为其自身。显然，技术只有与世界相纠缠，并与世界成为一个构成性的视域时，技术自身就显现出来了。每一技术被使用总会有信息的传递和被处理，量子技术以量子信息的传递为根本，而经典技术则以经典技术为传递根本。量子信息与经典信息有如下的区别：经典信息不具有相干性和纠缠性，而量子信息具有相干性和纠缠性；经典信息可以完全克隆，而量子信息不可克隆（no-cloning）；经典信息可以完全删除，而量子信息不可以完全删除；经典信息在四维时空中进行，速度不快于光速，而量子信息则在内部空间中进行，量子信息的变换可大大快于经典信息。[[6]] 3 两点思考
量子技术对技术哲学的一些基本问题，带来了新的思考。限于篇幅，这里仅讨论量子技术的自主性问题、量子技术对科学哲学中的量子实在的意义。
（1）量子技术是自主的吗?
所谓技术的自主性，是指技术最终依赖于自身，它本身就是目的，它是趋于封闭和自我决定的有机体。技术的自主性强调其主导力量是技术的内在逻辑。复杂的、独立的技术系统是由技术本身形成的，而不是由社会形成的。正如主张技术自主论的技术哲学家埃吕尔说：“自主技术意味着技术最终依赖于自己，它制定自己的路径，它是首要的而不是第二位的因素，它必须被当作‘有机体’，倾向于封闭和自我决定：它本身就是目的”。[[7]] 技术自主论认为，技术自主性主要表现在技术具有一定的独立性、自在性与自我扩展性。尽管技术受到科学与社会的影响，但技术是决定自身发展的重要因素，技术有自身发展的逻辑。
现在我们考查一下量子技术是否是自主的,最终依赖于量子技术自身。由于量子技术主要依赖于量子力学和量子信息论，否则就不可能有量子技术。比如，1994年，AT&T公司的肖尔（Peter Shor）发现了Shor算法，这个算法被称为“Shor大数因子化”的量子算法，它基于量子傅立叶变换。量子傅立叶变换所需要进行的运算与位数是多项式关系而不是指数关系，从而使肖尔的量子算法是一个多项式算法，是一个有效算法。量子肖尔算法之所以能够成功，并克服原来的经典计算复杂性，在于它充分利用了相位的相干性、相消性与量子计算的并行性，从而具有指数加速的特点。
可见，量子技术不具有自主性，它的发展受到了量子力学和量子信息论的极大的影响。而经典技术可以是技能的产品，不一定需要有科学的指导，经典技术的演化具有较强的自主性。但是，如果没有量子力学和量子信息论的理论和实验的重大进展，那么量子技术就难以取得质的飞跃，而且量子技术还受到量子控制论的影响。量子控制是形成量子技术的关键因素。正如道林（Jonathan P. Dowling）和密尔本（Gerard J. Milburn）在《量子技术：第二次量子革命》中所说：“如何没有与控制系统，反馈，前馈和错误纠正等相整合，就没有复杂技术能够起作用。……对于未来量子技术来说，最根本的任务是发展量子控制论的一般原理。”[[8]] 量子技术不具有自主性，也正反映了20世纪以来，技术的科学化趋势。
（2）量子技术对确认波函数的实在性具有重要作用。
科学实在就是科学理论和科学实验共同所构建的实在。量子实在是量子物理学所构建的实在，它是本体实在在量子世界的反映、呈现或隐喻。[[9]] 量子实在也就是由量子科学所揭示的实在。在量子力学中，波函数（几率幅）的实在性一直是有争论的。薛定谔认为波函数是物理波，用波包代表粒子。而“正统”的哥本哈根解释认为，波函数代表几率波，几率波具有物理实在性，它具有潜在性。玻恩的几率波解释认为，波并不象经典波那样代表什么实在的物理量的波动，它只不过是关于粒子的各种物理量的几率分布的数学描述而已，几率波解释只是将波的振幅的平方与各种物理量的测量值之间建立起了几率的关系。玻恩的波函数与量子实在并没有直接的联系。
普特南(H. Putnam)提出无奇迹论证（no miracle argument）为实在论进行辩护：如果我们不相信我们的理论为真，那么我们只能承认我们理论成功是一个奇迹。[[10]] 哈金(I. Hacking)利用“实验论证”为实在论进行辩护：某个理论概念是否真实存在，取决于我们能否运用它来研究其他理论概念或复杂现象。[[11]]
科学哲学中的实在问题不仅仅是一个科学哲学的问题，还是技术哲学的问题。科学中所揭示的实在不仅是一个理论问题，而且必须受到经验的检验，而技术是经验检验的重要根据。犹太哲学家布伯（Martin Buber）区分了两种实在，它在（it-reality）与你在（thou-reality）。他认为，人与它在的关系只有借助于技术手段。[[12]] 客观实在问题必须要由其实践效应来说明。但量子技术的出现有利于支持波函数具有实在性。
量子信息技术是以量子态为信息载体的技术。量子信息技术表明，波函数就是量子实在与量子信息的统一。用量子态来表示信息是研究量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演化遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理（计算）是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统实行量子测量。可见由于量子技术，人类控制自然的深度已经从宏观深入也微观了。原来“相当虚”的波函数已经成为一种量子实在，现在可以通过量子控制技术来加以控制了。从量子计算与量子算法来看，波函数（或几率幅）与算符都具有物理实在的意义，波函数描述了微观物质（量子系统）的状态和运动（演化）性质，微观客体的运动具有可逆性，而算符描述了微观物质相互作用的性质，测量仪器对量子系统的作用就等效于一个力学量算法作用在波函数上。
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