真空是一个有纠缠的量子比特海
朱清时

1.什么是信息？

‌信息，指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。人通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。

长期以来人们就把信息看作是消息的同义语，简单地把信息定义为能够带来新内容、新知识的消息。如果要造张桌子，先要有桌子的概念。只把金属和塑料给汽车厂的机器人，它们几乎不可能做出任何有用的东西，必须给它们下达如何加工、焊接、组装的指令，它们才能造出汽车。这些指令就是信息。1948年，数学家香农在题为“通讯的数学理论”的论文中指出：“信息是用来消除随机不定性的东西”。

著名杂志《科学》（Scientific American）曾发表过一篇文章《走过爱因斯坦》认为物理世界是由信息构成的，信息才是最重要的，物质和能量不过是附属物而已。

信息的物理学定义：信息是事物属性标识的集合。换言之，信息不是事物本身，而是它们的一种属性。这里的“事物”包括外部世界的物质客体，也包括主观世界的精神现象，即“一切法”；“运动”泛指变化； “运动状态和方式”是事物运动在时空上所展示的形状、态势、过程和规律。

信息既可是认识主体所感知或所表述的事物运动的状态与方式，又可是先验信息（认识主体具有的记忆能力）、实得信息（认识主体具有的学习能力）和实在信息（在理想观察条件下认识主体所获得的关于事物的全部信息）。

2. 信息不灭

信息可以广泛传播和复制，其本质是一种抽象的、非物质的实体，它依赖于物质载体（如纸张、光盘、硬盘等）进行存储和传播，但信息的本质并不依赖于这些载体。而物质在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程。信息一旦产生，其本质内容不会因载体的变换或毁灭而消失。但某些信息的价值具有时效性，即在某一时刻或时间段内具有很高的价值，但随着时间的推移可能失去价值。

信息可以以各种形式存在，如文字、图像、声音等，并可以通过不同的载体进行存储和传播。信息一旦产生，便不会因载体的变换或毁灭而消失。

比如，即使你烧掉一封信，保存在信件原子中的原始信息依然会被保留在灰烬中（《环球科学》2015年5月，P69）。纸条被烧掉的话，上面的信息确实会变得慌乱不堪，从冒出的烟和灰烬重构出纸条上的信息也是不现实的。但是在理论上，把普通量子力学应用于纸条上的原子，是可以描述整个燃烧过程的。产生的的烟和灰烬也可以用一个确定的，依赖于原来纸条上信息的波函数来描述。因此，通过波函数来重构纸条上的信息至少在理论上是可行的。这就是量子力学的“信息守恒定律”。

按照这个定律，意识作为人体上承载的信息，在人体灰飞烟灭后，仍然未被破坏，可以重构，只不过保存在更为复杂的状态中。

3. 信息的度量

在经典力学系统中，一个最简单的的系统，只有0，1两个取值，它的信息量是一个比特。如果我们只用0态和1态这两种相互排斥的状态来传递信息的话，那么我们做的就是经典通讯。如果我们用0态和1态，再加上亦0亦1、非0非1的两个态 |0〉+ |1〉和 |0〉- |1〉，这4个相互不排斥的量子态来传递信息的话，那我们做的就是一种形式的量子通讯。

量子信息的基本单位是量子比特（quantum bit，简称qubit）。比如我们可以把0和1这两个态看作是电子自旋的|上〉，|下〉两个态，它的信息量就是4个比特。例如在薛定谔猫实验中，密封的盒子里有一只猫、一瓶毒药、一个榔头，和一个量子比特探测器。我们给探测器一个量子比特，让其测量。如果量子比特处于1态，榔头就会落下，放出毒药，我们就会得到一只死猫；如果量子比特是处于0态，榔头就不会落下，猫还是活的。如果量子比特是处于0和1的一个叠加态，那么过了一段时间，这只猫到底是死的还是活的？按照量子理论，这只猫应该是处于一个不死不活，又死又活的状态。

4. 量子比特海

由大量处于复杂的纠缠态的量子比特组成的系统，称为量子比特海，其中每个量子比特的状态都与其他量子比特的状态相关，而且每个量子比特都可以处于多个状态的叠加态中，所以量子比特海的状态非常复杂，难以描述和理解。

举个例子来说，假设有三个量子比特A、B和C，它们处于纠缠态中。如果测量了A的状态为0，那么B和C的状态也会瞬间确定下来。但是，如果A的状态是处于0和1的叠加态中，那么B和C的状态也会处于相应的叠加态中，这种状态的复杂性随着量子比特数量的增加而呈指数级增长。总的来说，量子比特海是一个用来描述大量量子比特所处的复杂纠缠状态的概念，这种状态对于量子计算的研究和理解非常重要。

物理学家发现：所有的基本粒子都可以起源于一个有纠缠的量子比特海，而这一量子比特海就是我们的真空。真空，从字面上来理解就是“什么都没有”，不过这样的真空是不存在的。只要量子比特海有适当的纠缠，那么量子比特的集体运动不但能给出满足麦克斯韦方程的电磁波，也能给出满足狄拉克方程的电子波，夸克波等其它基本粒子。这就是基本粒子的弦网理论。这一图像代表了一个新的世界观：万物(包括基本粒子，基本相互作用等)起源于量子信息(量子比特)。在这一理论中，由于有纠缠的的量子比特海对应于空间，所以量子纠缠不但是物质的本源，也是空间的本源。