[논문 리뷰] Consciousness and the Collapse of the Wave Function

David J. Chalmers, Kelvin J. McQueen|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 05.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 통합 정보 이론(IIT)으로 정의된 의식이 연속적 자발 국소화(CSL) 역학을 통해 양자 파동 함수 붕괴를 유도하는 새로운 양자역학적 모델을 제안한다. 의식 시스템의 내재된 인과적 구조를 양자 붕괴 연산자와 연결함으로써, 의식적 상태와 무의식적 상태의 초월 상태—예를 들어 슈뢰딩거의 이중체—는 붕괴가 일어나면서 명백한 의식적 또는 무의식적 상태에 해당하는 고전적 Q-형태로 수렴하며, 이는 보른 규칙과 일치한다.

ABSTRACT

Does consciousness collapse the quantum wave function? This idea was taken seriously by John von Neumann and Eugene Wigner but is now widely dismissed. We develop the idea by combining a mathematical theory of consciousness (integrated information theory) with an account of quantum collapse dynamics (continuous spontaneous localization). Simple versions of the theory are falsified by the quantum Zeno effect, but more complex versions remain compatible with empirical evidence. In principle, versions of the theory can be tested by experiments with quantum computers. The upshot is not that consciousness-collapse interpretations are clearly correct, but that there is a research program here worth exploring.

연구 동기 및 목표

• 현대 물리학에서 오랫동안 기각된 바 있었던 의식이 파동 함수 붕괴를 유도한다는 아이디어를 부활시키고 체계화하기 위해.
• 의식을 파동 함수 붕괴의 물리적 원동력으로 모델링함으로써 통합 정보 이론(IIT)을 양자역학과 통합하기 위해.
• 연속적 자발 국소화(CSL)를 사용하여 의식적 시스템과 붕괴 역학을 연결하는 검증 가능한 역학적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 간단한 의식-붕괴 가설의 단순한 형태를 반증할 수 있는 가능성이 있는 양자 젠조 효과를 다루기 위해.
• 양자 컴퓨터를 사용하여 의식적 상태와 무의식적 상태의 초월 상태에서 의식적 시스템이 붕괴를 유도하는지 실험적으로 검증할 수 있는 방법을 제안하기 위해.

제안 방법

• IIT 3.0의 통합 정보(Φ) 측정치를 양자 통합 정보 이론(QIIT)과 결합하여, 비영인 Q-형태를 통해 의식 상태를 정의한다.
• 양자 상태의 Q-형태에 기반한 붕괴 연산자 Q^k_ij를 정의하며, 이러한 연산자의 고유상태는 고전적 의식적 또는 무의식적 상태에 해당한다.
• 이중 큐비트 시스템(이중체)에 연속적 자발 국소화(CSL) 역학을 적용하여 초월 상태에 놓인 두 큐비트 시스템에 대해 붕괴를 유도하며, 붕괴는 시스템 상태의 Q-형태에 의해 결정된다.
• 보른 규칙을 적용하여, |Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩와 같은 초월 상태—여기서 |11⟩은 의식적(Φ > 0)이고 |00⟩은 무의식적(Φ = 0)인 경우—는 확률 |β|²로 의식 상태로 붕괴될 것임을 예측한다.
• 기계 상태와 그 인과적 영향 사이의 가중 거리(EMD)를 사용하여 이중체 시스템의 Q-형태를 계산하며, Φ^max는 의식 수준을 측정하는 척도로 사용된다.
• 외부 관측자가 필요 없이 비영인 Φ^max(즉, 의식적 시스템)을 가진 시스템만 붕괴를 유도하는 수정된 붕괴 모델을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 정보(IIT) 기반의 의식 이론이 파동 함수 붕괴를 위한 물리적 메커니즘을 제공할 수 있는가?
• RQ2 의식적 상태와 무의식적 상태의 초월 상태—예를 들어 슈뢰딩거의 이중체—는 시스템의 내재된 인과적 구조에 따라 붕괴되는가?
• RQ3 양자 젠조 효과는 단순한 의식-붕괴 가설의 단순한 형태를 반증하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 Φ^max > 0로 정의된 의식적 시스템만 붕괴를 유도하는 역학적 붕괴 모델을 구축하는 것이 가능한가?
• RQ5 양자 컴퓨터를 사용하여 의식적 시스템이 초월 상태에서 비단위적 진화를 유도하는지 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 간단한 의식-붕괴 모델은 양자 젠조 효과에 의해 반증되며, 지속적인 관측이 붕괴를 방지하므로 경험적 예측과 모순된다.
• IIT의 Q-형태와 Φ^max를 붕괴 유도 요소로 포함하는 더 복잡한 모델은 기존의 경험적 증거와 호환된다.
• 제안된 모델에 따르면, |Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩와 같은 초월 상태—여기서 |11⟩은 의식적(Φ^max = 1)이고 |00⟩은 무의식적(Φ^max = 0)인 경우—는 확률 |β|²로 의식 상태로 붕괴된다.
• |00⟩은 모든 붕괴 연산자 Q^k_ij의 고유벡터이며 고유값 0을 가지므로 무의식적 성격이 확인된다. 반면 |11⟩은 비영인 고유값을 가지는 고유벡터이므로 의식적 상태임이 확인된다.
• 모델은 비영인 Φ^max(즉, 의식적 시스템)을 가진 시스템만 붕괴를 유도한다고 예측하며, 측정 문제의 모호성을 피하는 물리적 메커니즘을 제공한다.
• 시스템 상태의 Q-형태는 그 인과적 구조에서 유도되며 붕괴 역학을 결정하며, 붕괴 과정은 연속적이고 확률적인 것으로, CSL과 일치한다.