[논문 리뷰] Brain as quantum-like computer

Andrei Khrennikov|arXiv (Cornell University)|2002. 05. 15.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 51인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 뇌의 인지 현상—예를 들어 의사결정 간섭—을 양자 물리 과정을 필요로 하지 않는 맥락적 확률 이론을 사용하여 설명하는 양자 유사(QL) 뇌 모델을 제안한다. 비초월성 기반의 프레임워크를 도입하여 정신적 관측량이 측정 가능한 간섭 계수 λ를 통해 간섭을 나타내며, 이미지 인식 실험 데이터로 검증되어 인간 인지가 양자 환원주의 없이도 양자 유사 행동을 보일 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We present a contextualist statistical realistic model for quantum-like representations in physics, cognitive science and psychology. We apply this model to describe cognitive experiments to check quantum-like structures of mental processes. The crucial role is played by interference of probabilities for mental observables. Recently one of such experiments based on recognition of images was performed. This experiment confirmed our prediction on quantum-like behaviour of mind. In our approach ``quantumness of mind'' has no direct relation to the fact that the brain (as any physical body) is composed of quantum particles. We invented a new terminology ``quantum-like (QL) mind.'' Cognitive QL-behaviour is characterized by nonzero coefficient of interference $λ.$ This coefficient can be found on the basis of statistical data. There is predicted not only $\cos θ$-interference of probabilities, but also hyperbolic $\cosh θ$-interference. This interference was never observed for physical systems, but we could not exclude this possibility for cognitive systems. We propose a model of brain functioning as QL-computer (there is discussed difference between quantum and QL computers).

연구 동기 및 목표

• 뇌의 신경 수준에서 양자 물리학을 도입하지 않고도 정신 과정의 양자 유사 행동을 설명할 수 있는 통계적 맥락 모델을 개발하는 것.
• 신경과학에서의 양자 환원주의의 한계를 해결하기 위해, 양자 유사 특성이 고전적 확률 프레임워크에서 유추될 수 있음을 보여주는 것.
• 복소 진폭과 힐베르트 공간 형식을 사용하여 정신적 관측량의 간섭에 대한 수학적 기반을 제공하면서도 실재론을 유지하는 것.
• 측정 가능한 간섭 계수 λ를 도입하여 양자 유사(QL) 행동과 진정한 양자역학을 구분하는 것.
• 물리적 양자 시스템에는 존재하지 않지만 인지에 잠재적으로 관련이 있을 수 있는 하이퍼볼릭(coshθ) 간섭의 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 정신 상태를 개인적 정신 상태가 아니라 인지 맥락 C와 관련된 파동함수 ψ_C로 표현하는 맥락 기반 통계 모델을 수립한다.
• 정신 시스템에 양자 확률 이론의 형식을 적용하여 보른의 규칙과 복소 진폭을 사용해 상충하는 정신적 관측량 간의 간섭을 모델링한다.
• 실험 데이터에서 유도된 간섭 계수 λ를 도입하여 인지 실험에서의 양자 유사 행동을 정량화한다.
• 余弦(cosθ) 간섭과 하이퍼볼릭(coshθ) 간섭 패턴을 구분하며, 후자는 물리적 시스템에서는 관찰되지 않지만 인지 시스템에서는 가능할 수 있다.
• 앨버트와 루워의 영감을 얻어 다수의 마음 해석을 사용하여 정신 상태를 확률적이고 맥락 의존적인 프레임워크에서 명확한 값을 가진 것으로 모델링한다.
• 정신적 간섭을 양자 초월성의 필요 없이 고전적 맥락 기반 확률 현상으로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뇌의 신경 수준에서 양자 물리 과정을 필요로 하지 않고도 인지 과정이 양자 유사 간섭을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 맥락이 정신적 관측량에서 간섭 효과를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 이를 수학적으로 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 간섭 계수 λ는 인지 실험에서 실증적으로 측정 가능한가? 그리고 그것이 정신 처리 방식을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 하이퍼볼릭(coshθ) 간섭은 인지 과정에 대해 타당한 모델일 수 있는가? 그리고 표준 양자 간섭과는 어떻게 다를까?
• RQ5 간섭과 보른의 규칙과 같은 양자역학의 핵심 특성을 재현하는 확률적 프레임워크에서 실재론은 어떻게 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 인간의 이미지 인식에서 실험적으로 관찰된 양자 유사 간섭을 확인하여, 인지 시스템에서 비영제 간섭 계수 λ의 존재를 지지한다.
• 모델은 신경 상태의 초월성을 요구하지 않기 때문에, 양자 환원주의의 核심 문제를 피하면서도 정신적 관측량의 간섭을 성공적으로 설명한다.
• 간섭 계수 λ는 통계적 데이터에서 유도되며, 인지에서의 양자 유사 행동의 정도를 정량화하며, 고전적 확률 모델과는 구별되는 값을 가진다.
• 모델은 인지 시스템에서 하이퍼볼릭(coshθ) 간섭의 가능성을 예측하며, 이는 물리적 양자 시스템에서는 관찰되지 않지만 정신 과정과 잠재적으로 관련이 있을 수 있다.
• 실험을 통해 인간 인지가 양자 유사 확률 형식과 일치하는 간섭 패턴을 보이며, 이는 인간이 확률적 간섭 기반의 거시적 양자 유사 시스템으로 간주될 수 있음을 시사한다.
• 이 프레임워크는 양자 유사 현상에 대한 실재론적 해석을 가능하게 하며, 미세 수준에서의 양자 물리학을 도입하지 않고도 비고전적 확률 구조와 조화를 이룬다.