[论文解读] Brain as quantum-like computer

Andrei Khrennikov|arXiv (Cornell University)|May 15, 2002

Quantum Mechanics and Applications参考文献 51被引用 5

一句话总结

本文提出了一种类量子（QL）大脑模型，通过上下文概率理论解释认知现象（如决策干扰），而无需依赖量子物理过程。该模型引入了一种非叠加基底的框架，其中心理可观测量通过可测量的干扰系数 λ 表现干扰，该系数得到图像识别实验数据的验证，表明人类认知可表现出类量子行为，而无需量子还原论。

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).

研究动机与目标

• 开发一种统计性的、上下文相关的认知模型，解释心理过程中的类量子行为，而无需在神经层面上引入量子物理。
• 通过展示类量子特征可从经典概率框架中涌现，来克服神经科学中量子还原论的局限性。
• 使用复振幅和希尔伯特空间形式化，为心理可观测量中的干扰提供数学基础，同时保持实在论。
• 通过引入可测量的干扰系数 λ，区分类量子（QL）行为与真正的量子力学。
• 探索认知系统中双曲（coshθ）干扰的可能性，该特征在物理量子系统中不存在，但可能与认知相关。

提出的方法

• 构建一种上下文统计模型，其中心理状态由与认知上下文 C 相关的波函数 ψ_C 表示，而非单个心理状态。
• 将量子概率形式化应用于认知系统，使用玻恩规则和复振幅来建模不相容心理可观测量之间的干扰。
• 引入干扰系数 λ 以量化认知实验中的类量子行为，该系数由实证数据推导得出。
• 区分余弦（cosθ）与双曲（coshθ）干扰模式，后者在物理系统中未被观测到，但在认知中可能成立。
• 采用多心灵诠释（受 Albert 和 Loewer 启发），将心理状态建模为在概率性、上下文依赖框架中具有确定值的系统。
• 将心理干扰视为经典、上下文相关的概率现象，避免对单个神经状态叠加的需要。

实验结果

研究问题

• RQ1 认知过程是否可在大脑中不依赖量子物理过程的情况下表现出类量子干扰？
• RQ2 上下文在生成心理可观测量干扰效应中起什么作用？其数学建模方式如何？
• RQ3 干扰系数 λ 是否可在认知实验中被实证测量？它揭示了关于心理加工的何种信息？
• RQ4 双曲（coshθ）干扰是否是认知过程的可行模型？其与标准量子干扰有何不同？
• RQ5 在重现量子力学关键特征（如干扰和玻恩规则）的概率框架中，如何保持实在论？

主要发现

• 该研究通过实验验证了人类图像识别中观测到的类量子干扰，支持认知系统中存在非零干扰系数 λ。
• 该模型成功解释了心理可观测量中的干扰，而无需假设神经状态的叠加，从而避免了量子还原论的核心问题。
• 干扰系数 λ 由统计数据推导得出，量化了认知中类量子行为的程度，其值与经典概率模型有明显区别。
• 该模型预测认知系统中可能存在双曲（coshθ）干扰，该现象在物理量子系统中未被观测到，但可能与心理过程相关。
• 实验表明，人类认知表现出与类量子概率形式一致的干扰模式，表明人类可被视为基于概率干扰的宏观类量子系统。
• 该框架允许对认知中的类量子现象进行实在论解释，将实在论与非经典概率结构调和，而无需在微观层面引入量子物理。