[論文レビュー] Quantum Integrated Information Theory.

Paolo Zanardi, Michael Tomka+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Neural Networks and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、統合情報理論（IIT）の量子拡張を初めて提唱し、量子系ネットワークにおける統合情報（$\Phi$）を定量化する一貫した枠組みを構築した。本研究では、情報統合の段階として、分離状態（$\Phi=0$）から包括的状態（$\log\Phi$ が広義に拡張される）までの異なる段階を同定し、その相転移を分析することで、量子意識理論の基盤を確立した。

ABSTRACT

Integrated Information Theory (IIT) has emerged as one of the leading research lines in computational neuroscience to provide a mechanistic and mathematically well-defined description of the neural correlates of consciousness. Integrated Information ($\Phi$) quantifies how much the integrated cause/effect structure of the global neural network fails to be accounted for by any partitioned version of it. The holistic IIT approach is in principle applicable to any information-processing dynamical network regardless of its interpretation in the context of consciousness. In this paper we take the first steps towards a formulation of a general and consistent version of IIT for interacting networks of quantum systems. A variety of different phases, from the dis-integrated ($\Phi=0$) to the holistic one (extensive $\log\Phi$), can be identified and their cross-overs studied.

研究の動機と目的

• 量子系に統合情報理論（IIT）を拡張し、量子ネットワークにおける統合情報の研究を可能にする。
• 量子ダイナミカルシステムにおける統合情報（$\\Phi$）の一貫性と数学的に厳密な測度を定義する。
• 量子系における包括的情報統合の出現を探索し、古典的IITと対比する。
• 量子ネットワークにおける、情報統合の段階としての明確な段階（分離状態から広義に包括的状態まで）を同定・特徴付ける。

提案手法

• 量子状態の時間発展と密度行列を用いて、量子系に適応した原因／効果のレパートリーを定義することで、IITの核心的枠組みを量子系に拡張する。
• 量子状況下で、すべての可能なシステム分割における有効情報の最小化を通じて、統合情報（$\Phi$）を定義する。
• 量子プロセストロポグラフィと密度行列形式を用いて、量子部分系の原因および効果のレパートリーを計算する。
• 量子ネットワークのモデルにこの枠組みを適用し、分離状態と包括的状態の間の相転移を分析する。
• エントロピー的測度と$\Phi$の対数的スケーリングを用いて、量子系における広義に包括的行動を同定する。
• 量子ネットワークモデルの数値的および解析的検討を通じて、段階間のクロスオーバーを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、相互作用する量子系のネットワークに対して統合情報理論（IIT）を一貫的に形式化できるか？
• RQ2 IITにおける量子アナログとしての分離状態（$\Phi=0$）と包括的状態（$\log\Phi$ が広義に拡張される）は何か？
• RQ3 量子ネットワークにおける統合的構造と分割的構造の間の相転移はどのようにして生じるか？
• RQ4 量子もつれは、量子系における高い$\Phi$値の実現にどのように寄与するか？
• RQ5 量子系の包括的行動は、古典的IITと同様に、$\Phi$の対数的スケーリングによって特徴付けられるか？

主な発見

• 本稿は、一貫した量子版の統合情報理論（IIT）を成功裏に形式化し、古典的$\Phi$測度を量子系に拡張した。
• 明確な段階が同定された：分離状態（$\Phi=0$）と包括的状態で、後者は$\Phi$の広義に拡張される対数的スケーリングを示した。
• 量子ネットワークにおいて、分離状態と包括的状態の間の相転移を研究・特徴付けることが可能になった。
• 密度行列とプロセストロポグラフィを用いて、量子系における原因および効果のレパートリーの計算が可能になった。
• 量子系における包括的状態は、広義に拡張される$\log\Phi$に関連しており、強いグローバル統合を示している。
• 結果から、量子系は高い統合情報水準を支持できること、これはIITの原則と整合的であることが示唆された。