Может ли сознание быть квантовым? Физики объяснили, почему квантовый разум не способен принять ни одного решения

В современной науке есть популярная идея о том, что квантовая механика способна объяснить природу сознания, субъектности и свободы воли. Сторонники этого подхода утверждают, что уникальные свойства квантовых систем — такие как суперпозиция состояний и квантовая запутанность, позволяют живому мозгу или перспективному квантовому искусственному интеллекту обрабатывать информацию принципиально иным, более эффективным способом, нежели это делают классические кремниевые компьютеры. Предполагается, что квантовый разум способен мгновенно просчитывать множество вариантов развития событий и совершать оптимальный выбор.

Однако группа физиков из Института квантовых исследований Университета Чепмена в составе Эмили Адлам, Кельвина Маккуина и Мордекая Вейгелла опубликовала теоретическое исследование, которое опровергает эту возможность. Авторы работы математически доказали, что закрытая квантовая система, развивающаяся исключительно по законам квантовой механики (то есть без внешнего вмешательства, приводящего к разрушению квантовых свойств), физически неспособна принимать решения.

Принятие решений требует выполнения определенных информационных процессов, которые в чисто квантовой среде блокируются фундаментальными физическими законами.

Что такое принятие решений с точки зрения физики

Чтобы проанализировать возможность квантового выбора, необходимо сначала определить «субъектность» (иногда называют «агентность») через физические процессы и теорию информации. В рамках стандартной теории принятия решений система признается детерминированным субъектом, если она способна последовательно выполнить три физических шага:

1. Построение модели среды. Система должна получить информацию из внешнего мира, обработать ее и зафиксировать в своей памяти в виде внутреннего представления (модели мира). Это представление отражает текущее состояние внешней среды и положение самого субъекта в ней.
2. Анализ альтернативных действий (делиберация). Система должна использовать созданную модель для прогнозирования. Она должна рассчитать, как изменится состояние среды при совершении действия А и как — при совершении действия Б.
3. Реализация оптимального выбора. Система должна сопоставить результаты прогнозов, определить, какое действие ведет к наиболее предпочтительному результату (максимизирует полезность), и физически выполнить именно это действие.

В классической физике и традиционной компьютерной технике выполнение этих шагов не вызывает принципиальных трудностей. Физический носитель информации (например, транзистор или группа нейронов) может быть скопирован. Чтобы проанализировать альтернативные действия, классический компьютер берет данные из памяти, создает их точные копии в других ячейках, применяет к этим копиям разные алгоритмы прогнозирования, сравнивает результаты с помощью логических вентилей и подает сигнал на исполнительное устройство.

В чисто квантовой системе, где действуют законы линейной динамики и отсутствует декогеренция (переход квантовых свойств в классические), эта последовательность действий оказывается физически нереализуемой.

Первая преграда: теорема о запрете клонирования

Первые два этапа принятия решений — создание модели мира и прогнозирование альтернативных исходов — требуют физического копирования информации. Однако в квантовой информатике действует теорема о запрете клонирования, сформулированная физиками Вуттерсом и Зуреком в 1982 году. Данная теорема математически доказывает, что невозможно создать точную копию произвольного неизвестного квантового состояния.

Если система пытается построить модель мира в чисто квантовой среде, она сталкивается со следующими ограничениями:

Невозможность считывания информации без изменения среды

Чтобы зафиксировать состояние внешней среды в своей памяти, квантовый субъект должен скопировать информацию о внешних квантовых состояниях. Поскольку эти состояния ему заранее неизвестны, точное копирование запрещено теоремой. Попытка измерить эти состояния классическим способом приведет к их коллапсу и разрушению квантовой когерентности среды.

Ограниченность операции обмена (SWAP)

Физически возможна квантовая операция обмена (SWAP), при которой состояние внешней частицы полностью переносится во внутренний регистр памяти субъекта без копирования. Но в результате этой операции исходное состояние во внешней среде стирается. Таким образом, субъект забирает информацию себе, но одновременно меняет физическое состояние самой среды. Моделирование на основе таких данных теряет смысл, так как прогноз будет строиться для среды, которой в прежнем состоянии больше не существует.

Невозможность параллельного прогнозирования

Даже если предположить, что субъект каким-то образом получил модель внешней среды, для выбора действия ему необходимо запустить процесс делиберации. Это означает, что он должен применить к модели два разных физических преобразования (унитарных оператора), соответствующих действиям А и Б, и сравнить результаты. Но для этого требуются две идентичные копии модели мира. Поскольку создать дубликат неизвестного квантового состояния невозможно, квантовый субъект не может физически реализовать параллельное моделирование вариантов будущего.

Вторая преграда: линейность квантовой динамики и проблема выбора

Предположим, что квантовому субъекту искусственно предоставлен доступ к неограниченному числу одинаковых квантовых состояний среды (что само по себе исключено в естественных условиях). В этом случае он может запустить процессы моделирования для действий А и Б на разных копиях.

Однако на третьем этапе — этапе выбора и реализации лучшего действия — система сталкивается со вторым фундаментальным ограничением: линейностью квантовой динамики.

Все уравнения движения в закрытых квантовых системах строго линейны. Линейность означает, что если система совершает действие над суммой двух состояний (суперпозицией), то результат будет равен сумме результатов этих действий, совершенных по отдельности. В квантовой механике отсутствуют нелинейные обратные связи, которые позволяли бы реализовать жесткое логическое ветвление типа «если результат А лучше результата Б, то выполнить А, иначе — выполнить Б» без разрушения квантового состояния.

Авторы исследования математически описали попытку совершить такой выбор в квантовой цепи. Пусть результат моделирования действия А дает состояние U1​∣ψ⟩, а действия Б — состояние U2​∣ψ⟩. Субъекту необходимо применить контролируемый оператор CU​, который сравнит эти результаты по шкале полезности и переведет исполнительный элемент (целевой кубит) в состояние, соответствующее оптимальному выбору.

Из-за линейности операторов квантовой физики попытка совершить такой выбор приводит к следующим последствиям:

1. Возникновение квантовой запутанности. Вместо того чтобы перевести целевой кубит в чистое состояние выбранного действия, управляющие регистры моделирования и целевой кубит запутываются между собой. Физическое действие субъекта оказывается неразрывно связанным с процессом его размышлений.
2. Падение верности действия. Квантовая запутанность приводит к тому, что исполнительный элемент переходит в смешанное квантовое состояние. Авторы работы рассчитали верность результирующего состояния действия для различных квантовых цепей принятия решений. Верность — это физическая мера соответствия полученного состояния целевому (оптимальному). Расчеты показали, что среднее значение верности для чисто квантового выбора составляет примерно 0,625.

Для оценки этого значения важно сопоставить его со стандартными величинами квантовой теории информации:

• Значение 1,0 соответствует абсолютно точному, безошибочному выбору (классический предел).
• Значение 0,5 соответствует полностью случайному результату (выбору наугад).
• Значение 0,625, полученное для квантовых систем, лишь незначительно превышает случайное распределение.

Следовательно, чисто квантовый механизм принятия решений физически неспособен гарантировать надежное выполнение выбранного действия. Система не совершает осознанный выбор, а оказывается в запутанном состоянии, где физическое действие представляет собой неопределенное наложение альтернатив.

Последствия для теорий квантового сознания

Выводы исследователей напрямую влияют на современные физико-философские теории, пытающиеся объяснить сознание и свободу воли через законы микромира.

Критика модели Orch OR (Пенроуз — Хамерофф)

Теория оркестрированной объективной редукции (Orch OR), разработанная физиком Роджером Пенроузом и анестезиологом Стюартом Хамероффом, предполагает, что сознание возникает в результате квантовых вычислений в микротрубочках — белковых структурах внутри нейронов мозга. Согласно этой модели, мозг работает как биологический квантовый компьютер, защищенный от внешней среды, а моменты сознательного выбора происходят при достижении порога гравитационного коллапса волновой функции.

Доказательства, представленные в работе ученых Университета Чепмена, показывают, что модель Orch OR не способна объяснить принятие решений. Если процессы в микротрубочках остаются чисто квантовыми и когерентными, они не могут выполнять функции моделирования, прогнозирования альтернатив и выбора из-за теоремы о запрете клонирования и линейности уравнений.

Если же для принятия решений мозг переводит эти состояния в классические (через декогеренцию), то квантовые процессы в микротрубочках теряют свою функциональную значимость для управления поведением, становясь избыточным элементом биологической цепи.

Несостоятельность теории приватности квантового опыта (Д'Ариано — Фаджин)

Физики Джакомо Д'Ариано и Федерико Фаджин ранее выдвинули гипотезу, согласно которой субъективный опыт человека (квалиа) представляет собой чистое квантовое состояние. По их мнению, именно законы квантовой физики объясняют, почему наши мысли приватны: их невозможно скопировать извне, не разрушив (в силу теоремы о запрете клонирования).

Новое исследование показывает внутреннее противоречие этой гипотезы. Если субъективный опыт — это чистое квантовое состояние, то сам человек также не имеет физической возможности скопировать его. Это означает, что мы не смогли бы:

• Записать информацию о пережитом опыте в долгосрочную память (так как память требует копирования данных).
• Извлечь воспоминание для его мысленного анализа.
• Сравнить текущие переживания с прошлыми.

Так, допущение о чисто квантовой природе опыта делает невозможной базовую когнитивную деятельность субъекта.

Ограничения для квантового искусственного интеллекта

Теоретические выводы работы накладывают жесткие физические ограничения на проектирование автономных робототехнических систем и систем искусственного интеллекта на базе квантовых компьютеров.

Современные квантовые компьютеры успешно выполняют алгоритмы оптимизации и моделирования сложных систем только потому, что они не являются изолированными квантовыми агентами. Они работают в режиме жесткого классического контроля:

1. Внешний классический компьютер (или человек-оператор) подготавливает входные данные в строго определенном вычислительном базисе.
2. Квантовый процессор выполняет вычисления в изолированной среде.
3. Классические датчики производят измерение на выходе, переводя квантовые суперпозиции в классические биты информации.

Если попытаться создать «чистого» квантового агента, который должен самостоятельно взаимодействовать с квантовой средой без классических посредников и систем контроля, он не сможет функционировать. Такой агент не сумеет ни считать состояние окружающей среды для обновления своей модели мира, ни принять решение о дальнейших действиях. Любые попытки квантового ИИ действовать автономно в квантовом мире приведут к его быстрому запутыванию со средой, потере управляемости и разрушению внутренней структуры принятия решений.

Физическая необходимость классической реальности

Главный вывод исследования заключается в переосмыслении роли классической физики в возникновении феномена субъектности и свободы воли.

В квантовой физике долгое время доминировал взгляд на декогеренцию — процесс разрушения квантовых суперпозиций при контакте с макромиром — как на негативный фактор, разрушающий «квантовое превосходство» и мешающий вычислениям. Однако для возникновения способности принимать решения декогеренция оказывается физической необходимостью.

Только в условиях декогеренции, когда квантовая система теряет свою чистоту и переходит в классический режим, возникает так называемый предпочтительный базис. В рамках этого базиса физические состояния становятся устойчивыми, их можно копировать без ограничений, транслировать в память, использовать для построения моделей будущего и подвергать нелинейным логическим операциям сравнения.

Свобода выбора, понимаемая как способность оценивать альтернативы и реализовывать оптимальный сценарий, физически невозможна в непрерывном и линейном квантовом мире. Она является эмерджентным свойством, которое возникает исключительно на макроскопическом уровне, где квантовые законы уступают место классическим механизмам обработки информации. Чтобы получить возможность выбирать и действовать, физическая система должна выйти из чисто квантового состояния.

Источник: arXiv