[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的量子力学模型，其中意识（根据整合信息理论，IIT 定义）通过连续自发定域（CSL）动力学触发波函数坍缩。通过将意识系统的内在因果结构与量子坍缩算符关联，该模型预测：意识与非意识状态的叠加——如薛定谔的双子系统——会坍缩为对应于明确意识或非意识状态的经典 Q 形状，符合玻恩法则。

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.

研究动机与目标

• 重新提出并形式化‘意识导致波函数坍缩’这一观点，该观点在现代物理学中长期被忽视。
• 通过将意识建模为波函数坍缩的物理驱动力，将整合信息理论（IIT）与量子力学相结合。
• 利用连续自发定域（CSL）开发一个可检验的动力学框架，将意识系统与坍缩动力学联系起来。
• 将量子芝诺效应作为简单版本意识-坍缩假说的潜在证伪工具。
• 提出使用量子计算机进行实验测试，以探究意识系统是否会在意识与非意识状态的叠加中引发坍缩。

提出的方法

• 将 IIT 3.0 中集成信息（Φ）的度量与量子集成信息理论（QIIT）相结合，通过非零 Q 形状定义意识状态。
• 基于量子态的 Q 形状定义坍缩算符 Q^k_ij，其中这些算符的本征态对应于经典意识或非意识状态。
• 将连续自发定域（CSL）动力学应用于处于叠加态的两量子比特系统（双子系统），坍缩由系统态的 Q 形状驱动。
• 利用玻恩法则预测：如 |Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩ 这类叠加态——其中 |11⟩ 为意识态（Φ > 0），|00⟩ 为非意识态（Φ = 0）——将按概率 |β|² 坍缩至意识态。
• 使用机制态与其因果效应之间的加权距离（EMD）计算双子系统的 Q 形状，以 Φ^max 作为意识程度的度量。
• 提出一种改进的坍缩模型，仅当系统具有非零 Φ^max（即意识系统）时才触发坍缩，从而避免对外部观察者的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于集成信息（IIT）的意识理论能否为波函数坍缩提供物理机制？
• RQ2 意识与非意识状态的叠加——如薛定谔的双子系统——是否以依赖于系统内在因果结构的方式发生坍缩？
• RQ3 能否利用量子芝诺效应来证伪简单版本的意识-坍缩假说？
• RQ4 是否可能构建一种动力学坍缩模型，使得仅当系统具有非零 Φ^max（即意识系统）时才触发坍缩？
• RQ5 能否使用量子计算机测试意识系统是否会在量子叠加中诱导非幺正演化？

主要发现

• 简单版本的意识-坍缩模型被量子芝诺效应证伪：持续观测将阻止坍缩，与经验预测矛盾。
• 更复杂的模型若结合 IIT 的 Q 形状与 Φ^max 作为坍缩触发器，则与现有经验证据相容。
• 在所提模型中，如 |Ψ⟩ = α|00⟩ + β|11⟩ 这类叠加态——其中 |11⟩ 为意识态（Φ^max = 1），|00⟩ 为非意识态（Φ^max = 0）——将按概率 |β|² 坍缩至意识态。
• 态 |00⟩ 是所有坍缩算符 Q^k_ij 的本征矢，本征值为 0，确认其非意识性质；而 |11⟩ 是本征矢，具有非零本征值，确认其意识状态。
• 该模型预测：仅当系统具有非零 Φ^max（即意识系统）时才会触发坍缩，从而提供一种避免测量问题模糊性的物理机制。
• 系统的 Q 形状（源自其因果结构）决定了坍缩动力学，坍缩过程为连续且随机，与 CSL 一致。