[논문 리뷰] Modeling observers as physical systems representing the world from within: Quantum theory as a physical and self-referential theory of inference

John Realpe-Gómez|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 155인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 양자 이론이 두 원리에서 유래된다고 제안한다: (1) 실험에 통합된 관측자가 관측 행위를 물리적 과정으로 수행함으로써 비가환성과 허수시간 동역학이 도출되며, (2) 제1인칭 관점의 서술이 자아참조, 상보성, 실시간 양자 진동을 도입한다. 주요 기여는 관측자-통합 추론을 통해 양자 기초 이론, 의식, 물리적 관측을 통합하는 프레임워크를 제공하는 것이다.

ABSTRACT

In 1929 Szilard pointed out that the physics of the observer may play a role in the analysis of experiments. The same year, Bohr pointed out that complementarity appears to arise naturally in psychology where both the objects of perception and the perceiving subject belong to 'our mental content'. Here we argue that the formalism of quantum theory can be derived from two related intuitive principles: (i) inference is a physical process performed by physical systems, observers, which are part of the experimental setup---this implies non-commutativity and imaginary-time quantum mechanics; (ii) experiments must be described from a first-person perspective---this leads to self-reference, complementarity, and real-time quantum dynamics. This approach sheds new light on the foundations of quantum theory and suggests fundamental equations in physics are typically of second order due to the physical nature of the observer. It also suggests some experimental conjectures: (i) the quantum of action could be understood as the result of the additional energy required to transition from unconscious to conscious perception; (ii) humans can observe a single photon of visible light; (iii) self-aware systems and the neural correlates of the self should be composed of two complementary sub-systems, much like the DNA molecule is composed of two strands---this may help explain the double-hemisphere architecture of the brain. Moreover, this approach may help bridge the gap between science and human experience. We discuss the potential implications of these ideas for the modern research programs on consciousness and contemplative science. As side results: (i) we show that message-passing algorithms and stochastic processes can be written in a quantum-like manner; (ii) we provide evidence that non-stoquasticity, a quantum computational resource, may be related to non-equilibrium phenomena.

연구 동기 및 목표

• 관측자를 실험에 통합된 물리적 시스템으로 모델링하여 양자 이론의 기초적 결함을 해결하는 것.
• 관측자가 실험 설정 내에서 수행하는 추론을 물리적 과정으로 간주함으로써 측정 문제를 해결하는 것.
• 의식적인 관측자의 제1인칭 관점에서 양자역학의 상보성과 자아참조를 설명하는 것.
• 물리적 자기참조적 추론에 기반하여 양자 이론을 주관적인 인간 경험과 연결함으로써 양자역학과 주관적 경험 간 격차를 메우는 것.
• 양자 현상과 의식, 신경 구조, 정보 처리 간의 연관성을 밝혀내는 검증 가능한 추측을 제안하는 것.

제안 방법

• 관측자의 물리적 추론과 실험의 제1인칭 서술이라는 두 핵심 원리로부터 양자 형식을 유도하는 것.
• 관측자를 물리적 시스템으로 모델링하여 추론을 수행함으로써 비가환 관측량과 허수시간 진동을 이끌어내는 것.
• 제1인칭 관점에 의한 자아참조를 도입함으로써 상보성과 실시간 양자 동역학을 생성하는 것.
• 자기참조 논리를 사용하여 양자 중첩과 측정 붕괴가 물리적 과정으로서 어떻게 나타나는지 설명하는 것.
• 메시지 전달 알고리즘과 확률적 과정에 이 프레임워크를 적용하여 그것들이 양자 유사 형식으로 표현될 수 있음을 보이는 것.
• 관측자가 추론 과정에서 수행하는 역할을 통해 비스투콰스틱성(Non-stoquasticity)을 비균형 물리 현상과 연결하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 실험에 통합된 관측자가 수행하는 물리적 추론 원리로부터 양자 이론을 유도할 수 있는가?
• RQ2 제1인칭 관점에서의 자아참조가 상보성과 실시간 양자 동역학을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 작용의 양자(quantum of action)는 무의식적 인식에서 의식적 인식으로 전이하는 데 드는 에너지 비용으로 해석될 수 있는가?
• RQ4 자기 인식 시스템과 의식의 신경 기초는 DNA의 이중 나선과 유사한 두 상보적 하위시스템이 필요한가?
• RQ5 관측자의 물리적 성격이 기본 물리학에서 2차 방정식을 어떻게 초래하는가?

주요 결과

• 양자 이론의 형식은 관측자의 물리적 추론과 제1인칭 관점 서술에서 유도될 수 있다.
• 비가환성과 허수시간 양자역학은 관측자가 수행하는 추론의 물리적 실현에서 자연스럽게 도출된다.
• 실시간 양자 동역학과 상보성은 관측자의 주관적 시각에서 실험에 대한 자기참조적 서술에서 기인한다.
• 논문은 인간이 단일 가시광자까지 감지할 수 있으며, 이는 양자 관측과 의식적 인식을 연결하는 것으로 추측한다.
• 자기 인식 시스템과 의식의 신경 기초는 두 상보적 하위시스템으로 이루어져 있을 수 있으며, 이는 뇌의 이중 구조를 설명할 수 있을 것이다.
• 양자 계산에서의 비스투콰스틱성은 관측자가 추론 과정에서 수행하는 역할을 통해 비균형 물리 현상과 본질적으로 연결되어 있을 수 있다.