[論文レビュー] Consciousness and the Collapse of the Wave Function

David J. Chalmers, Kelvin J. McQueen|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Quantum Mechanics and Applications被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、統合情報理論（IIT）で定義される意識が、連続的自己局在（CSL）力学を介して波動関数の崩壊を引き起こす、新しい量子力学的モデルを提案する。意識的システムの内在的因果構造を量子崩壊演算子と結びつけることで、意識的状態と無意識的状態の重ね合わせ（例えばシュレーディンガーの二重体）が、ボーンの法則に従い、明確な意識的または無意識的状態に対応する古典的Q形状へと崩壊することを予測する。

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.

研究の動機と目的

• 現代物理学で長らく否定されてきた、意識が波動関数の崩壊を引き起こすという考えを再活性化し、形式化すること。
• 意識を物理的要因として波動関数の崩壊に結びつけるために、統合情報理論（IIT）と量子力学を統合すること。
• 連続的自己局在（CSL）を用いて、意識的システムと崩壊ダイナミクスを結びつける検証可能な動的枠組みを構築すること。
• 単純なバージョンの意識-崩壊仮説を否定する可能性を秘めた量子ゼノン効果を扱うこと。
• 量子コンピュータを用いた実験的検証を提案し、意識的システムが意識的・無意識的状態の重ね合わせにおいて崩壊を誘発するかどうかを検査すること。

提案手法

• IIT 3.0の統合情報（Φ）の測定値と量子統合情報理論（QIIT）を組み合わせ、非ゼロのQ形状を持つことで意識的状態を定義する。
• 量子状態のQ形状に基づく崩壊演算子Q^k_ijを定義し、これらの演算子の固有状態が古典的意識的または無意識的状態に対応することを示す。
• 二量子ビット系（二重体）の重ね合わせ状態にCSL力学を適用し、システム状態のQ形状によって崩壊が駆動されることを示す。
• ボーンの法則を用いて、|Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩のような重ね合わせ状態—ここで|11⟩は意識的（Φ > 0）で|00⟩は無意識的（Φ = 0）—が、確率|β|²で意識的状態へと崩壊することを予測する。
• メカニズム状態とその因果的影響との間の加重距離（EMD）を用いて、二重体系のQ形状を計算し、Φ^maxを意識の尺度とする。
• 外部観測者を必要としないように、非ゼロのΦ^max（すなわち意識的システム）のみが崩壊を引き起こすように、崩壊モデルを修正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合情報理論（IIT）に基づく意識の理論が、波動関数の崩壊の物理的メカニズムを提供できるか？
• RQ2 意識的・無意識的状態の重ね合わせ（例えばシュレーディンガーの二重体）は、システムの内在的因果構造に依存して崩壊するのか？
• RQ3 量子ゼノン効果は、単純なバージョンの意識-崩壊仮説を否定するのに使えるか？
• RQ4 非ゼロのΦ^max（すなわち意識的システム）のみが崩壊を引き起こすような動的崩壊モデルを構築することは可能か？
• RQ5 量子コンピュータを用いて、意識的システムが量子重ね合わせにおける非ユニタリな進化を誘発するかどうかを検証することは可能か？

主な発見

• 単純な意識-崩壊モデルは、量子ゼノン効果によって反証される。持続的な観測が行われると崩壊が阻止されるが、これは実験的予測と矛盾する。
• IITのQ形状とΦ^maxを崩壊のトリガーとして組み込んだより複雑なモデルは、既存の実験的証拠と両立する。
• 提案されたモデルでは、|Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩のような重ね合わせ状態—ここで|11⟩は意識的（Φ^max = 1）で|00⟩は無意識的（Φ^max = 0）—が、確率|β|²で意識的状態へと崩壊する。
• |00⟩はすべての崩壊演算子Q^k_ijの固有ベクトルであり、固有値が0であるため、無意識的性質が確認される。一方|11⟩は非ゼロ固有値を持つ固有ベクトルであり、意識的状態が確認される。
• このモデルは、非ゼロのΦ^max（すなわち意識的システム）のみが崩壊を引き起こすと予測し、測定問題の曖昧さを回避する物理的メカニズムを提供する。
• システム状態のQ形状は、因果構造から導かれるが、これにより崩壊ダイナミクスが決定され、崩壊過程は連続的かつ確率的であり、CSLと整合的である。