博文
量子信息的本质探讨
|||
吴国林： 从纯客观的通信理论来看，现有的经典信息以比特（bit）作为信息单元，经典比特只有一个或0或1的状态。一个比特是给出经典二值系统一个取值的信息量。从物理角度讲，比特是一个两态系统，它可以制备为两个可识别状态中的一个，例如，是或非，真或假，0或1等。在数字计算机中电容器平板之间的电压可表示经典信息比特，有电荷代表1，无电荷代表0。经典信息可以用经典物理学进行描述，不需要用量子力学描述。
量子力学用量子态来描述量子系统，即系统处于态空间（常用Hilbert空间来表述）的某种量子态。量子力学的波动方程可以描述量子态的演化。量子信息研究以量子态为信息载体的信息理论与技术。在量子通信理论中，量子信息的单元称为量子比特（qubit），有的国内学者称之为量子位。一个量子比特是一个双态系统，且是两个线性独立的态。两个独立的基本量子态常用狄拉克符号记为：|0>和|1>。量子比特是两态量子系统的任意叠加态，量子比特|0>，|1> 是二维复空间中的向量。例如：量子态可以表示为|0>，|1> 的叠加，其叠加系数为C0与C1，为复数。也可以用矩阵表示|0>和|1>。
即是说，量子比特可以处于|0>， |1>之间的连续状态之中，直到它被观测。当量子比特被观测，只能得到非“0”即“1”的测量结果，每个结果有一定的概率。经典比特可以看成量子比特的特例(C0=0或C1=1)。
两个量子比特的态张成4维希尔伯特空间，它是两个量子比特的量子态的直积，它存在4个正交的态，其基态可以取为：|00>，|01>，|10>和|11>。
用量子态来表示信息是研究量子信息的出发点，有关量子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。在实验中，量子比特的物理载体是任何两态的量子系统，常见的有：光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。一旦用量子态来表示信息，便实现了信息的“量子化”，于是信息的过程必须遵从量子物理原理。
按现代大爆炸宇宙学，宇宙的演化是从量子宇宙演化为经典宇宙，于是，在没有人类存在以前，就有与人无关的本体论量子信息与本体论经典信息，而当宇宙演化出经典宇宙并演化出人类时，本体论信息成为人类的认识对象时，才有认识论量子信息与认识论经典信息。为此，我们把量子信息分为本体论量子信息与认识论量子信息。
所谓本体论量子信息，是指在量子相干长度之内所展示的事物运动的量子状态与关联方式。
所谓认识论量子信息，是指主体感受和所表述的在量子相干长度之内的事物运动的量子状态与关联的方式。
我们知道，事物的性质和展现的方式是由它的本质决定的，因此，事物的性质与展现的方式也必然反映了事物的本质。我们在定义中入“量子相干长度之内”，这在于20世纪80年代以来的有关研究表明，只有在量子相干长度之内的微观客体才能用波函数或几率幅来描写，而限制量子相干长度的主要因素是环境与量子系统之间产生的消相干作用。定义的的“关联方式”在于包括相干性与量子纠缠等性质，量子信息的本质是通过量子态、量子相干和量子纠缠等量子性质展现出来的。
我们能不能把量子信息看作是微观物质的普遍属性？
电子、质子等微观粒子的性质都可以用几率幅（波函数）得到很好的描述。尽管波函数描述的是位形空间（configuration space），比如，两粒子体系的波函数ψ（x1, y1,z1, x2, y2,z2）描述的是6维位形空间中的波动而不是现实的三维空间的波动，但是，我们认为，几率幅（波函数）仍然提示了微观粒子的客观实在，反映了微观物质的存在方式。因为在位形空间中粒子体系的波函数通过测量与现实的三维空间相联系，位形空间仍然具有实在意义。这就如在量子宇宙学中，虚时间并不比实时间并不实在。
因此，我们认为，量子信息可以看作是微观物质的属性。处于量子相干长度之内的微观物质都可以成为量子信源，产生量子信息。量子信息的产生要以微观物质的运动作为前提。任何微观物质的量子运动都会有量子信息产生。量子信息只能由微观物质的运动才能产生，且微观事物处于量子相干长度之外。一般性的知识等不能产生量子信息。经典信息也不能产生量子信息。人的意识也不能产生量子信息。量子信息只能存在于量子系统之中，而不能存在于一般性的日常社会生活之中。人类社会的生活自身不能产生量子信息，因为人的宏观的，宏观的人不能产生量子关联。这是因为量子信息产生的物理基础是处于量子相干长度之内的微观物质或微观事物。
总之，量子信息不是量子实在，而是作为量子实在的状态、关联、变化、差异的表现。从哲学上讲，量子信息将信息从经典领域拓展到量子领域，丰富了信息的涵义，赋予了量子信息以独立存在的哲学意义。
https://blog.sciencenet.cn/blog-447363-335675.html
上一篇：量子技术与经典技术的联系与区别
下一篇：看巴西队与朝鲜队的世界杯足球比赛，新的期待！
