沙威

（浙江大学）

本文选自《物理》2026年第6期

信息早已超出通信工程的范畴，成为现代科学认识世界、构建知识和推动技术变革的一条重要主线。通信、计算、感知、成像、人工智能与网络安全虽然各有不同的研究对象，最终都要回答一组相互关联的问题：信息如何度量，如何由物理系统承载，如何实现高效传输，又如何在通信互联、计算决策与安全防护中发挥作用。从经典信息论的建立，到电磁信息与量子信息的兴起，信息科学不断向更深的物理层次和更广的应用领域延伸。

19世纪以来，电报、电话和无线电通信相继出现，通信技术迅速发展，但一个根本问题长期没有得到统一回答：一条消息究竟包含多少信息，有限的信道在单位时间内最多能够传递多少信息？1948年，香农以概率统计中的不确定性为出发点，引入熵、互信息和信道容量等概念，使“信息”成为可以度量、可以计算、也可以讨论极限的科学量。经典信息论由此奠定了数字通信、数据压缩和互联网的理论基础，也使通信系统设计从经验探索走向极限可知的科学。今天，随着许多通信系统逐步逼近经典理论所揭示的性能边界，研究者开始进一步追问信息的意义与用途。语义通信和任务导向通信不再把逐比特复原视为唯一目标，而是更加关注接收端能否获得有助于理解、判断和行动的有效内容，使通信从“可靠传输符号”进一步走向“有效传达意义”。

信息的传输不能脱离物理载体。无线通信、雷达探测和光学成像中的信息，最终都由电磁场的传播、散射与干涉来承载。长期以来，信息论主要研究抽象信道的传输极限，电磁学则关注电磁波的产生、传播与调控；随着多输入多输出通信、大规模阵列、近场通信和连续孔径技术的发展，两者的交汇日益深入。增加天线并不必然增加可用信息，就像增加像素也不会自动突破衍射极限。真正决定系统能力的，不是端口数量的简单累加，而是有限空间中能够被稳定激发、传播、区分和接收的独立电磁模式。电磁信息论正从麦克斯韦方程组出发，重新审视自由度、采样与容量之间的关系，为通信、感知和成像的统一设计提供更接近物理本质的基础，也为三维阵列、全息表面和可重构电磁环境等新技术开辟新的研究方向。

量子信息的兴起，则源于人们对量子规律的另一种认识：量子力学不仅对信息的获取施加了基础物理限制，也能够赋予信息新的能力。量子态不能被任意复制，测量会不可避免地对系统造成扰动；与此同时，量子叠加、纠缠和干涉又使某些经典体系难以完成的计算与通信任务成为可能。20世纪后半叶以来，量子效应逐渐从物理学的研究对象转化为处理、传输和保护信息的物理资源。量子计算的发展正在促使人们重新审视传统密码体系的安全边界，量子通信则把测量扰动和量子态不可克隆定理转化为发现窃听、保护传输的新机制。当前，量子计算仍在向大规模容错阶段迈进，量子通信与量子网络也在不断拓展距离、规模和功能。量子信息更深层的意义在于，它揭示了信息能够如何被计算、传输和保护，最终受到物理规律的严格支配，即“信息在本质上是物理的”。

从经典信息、电磁信息到量子信息，并不是三条彼此孤立的发展路径，而是人类对信息本质不断深化的三个层次：经典信息论建立了抽象符号可靠传输的理论极限，电磁信息论追问真实物理空间中信息自由度的来源，量子信息则重新界定了信息处理与安全的基本规则。本专题围绕这条主线，展示信息科学在数学基础、物理承载机理和量子机制等方面的前沿进展。随着先进电磁结构、连续孔径通信、人工智能和量子技术的进一步交叉融合，广义信息科学将继续深化人们对信息本质的认识，并为未来智能通信、精密感知、安全网络和新型计算提供重要的理论支撑。