人工智能可能永遠無法擁有意識 精華
一、受羅杰·彭羅斯啟發的猜想
1989年，在他的重要著作《皇帝的新思維》中，羅杰·彭羅斯提出了一個引人注目的假設[1]。他認為量子過程對于形成意識的物理基礎至關重要。這個觀點具有吸引力，因為量子力學的方程告訴我們，在任何時刻，一個物體——無論是我，還是整個世界——都處于多種狀態的疊加中。然而，在任何給定的時刻，我們只體驗其中的一種。為了說明這一點，想象一個研究員走到谷歌量子AI實驗室的一臺量子計算機前，觀察一個量子比特（qubit）處于兩個狀態|0?和|1?的疊加態。如果研究員看到量子比特處于|0?狀態，那么描述量子系統時間演化的薛定諤方程告訴我們，還有另一個版本的研究員看到量子比特處于|1?狀態。量子物理學的這一特性——平行世界不斷生成——自量子物理學發明以來一直困擾著物理學家。休·埃弗雷特在1957年的博士論文中首次注意到，量子力學的方程，如果按字面意思理解，描述了一個由共存的平行世界組成的多重宇宙[2]。在量子物理學中，我們將日常經驗的世界稱為“經典世界”。如果我們接受一個多重宇宙的現實模型，那么意識的一個有吸引力的解釋便顯現出來：意識是我們如何體驗從多重宇宙中涌現出一個獨特經典現實的過程。
彭羅斯的提案非常明確。他認為，當引力促使量子力學的疊加態發生坍縮時，就會出現意識的時刻，這個過程他稱之為“客觀坍縮”。然而，在這里，我們認為他的原始提案需要進行一些修正。
首先，我們希望去除對引力的引用。引力是否會導致坍縮是可以測試的，但到目前為止，在實驗室中尚未觀察到這一現象，初步的實驗也未能發現這種效應[3]。我們更傾向于堅持經典的量子力學理論，它教導我們，當一個量子系統與外部系統（擁有大量自由度的系統）相互作用時，就會發生“有效坍縮”，例如，在一個量子系統通過宏觀系統（如儀器或人）進行測量時。這種相互作用導致了“環境誘導的去相干”，即關注的量子系統與外部系統的自由度發生了糾纏，從量子系統的角度來看，這就像是疊加態的有效坍縮。這也解釋了為什么我們能夠根據特定的基（由與外部系統的耦合，即環境設定）預測經典的測量結果。整個系統的量子疊加（包括興趣系統和環境）仍然存在。坍縮的概念僅僅表示，雖然興趣系統可能仍然處于經典狀態的疊加中，但該疊加不再通過干涉現象被觀察到。換句話說，興趣系統從一個純粹的量子態演變成了一個經典態的混合體，這些經典態共存而彼此并不知曉。
其次，我們提出，當疊加態形成時，而不是坍縮時，才會發生意識時刻。這一修改是必要的，以避免彭羅斯原始提案在應用于多個糾纏量子比特時所帶來的超光速通信問題，正如下面所解釋的那樣。它還避免了需要明確界定何時發生測量的概念問題，因為所有相互作用都被視為相同。因此，我們的提案牢固地植根于埃弗雷特的“多世界”量子力學模型中。圖1展示了一個量子電路示例，其中門操作和測量操作作用于三個量子比特，每個量子比特都初始化為|0?狀態。首先，在第一個量子比特上形成疊加態，然后通過糾纏操作將其傳播到所有量子比特上，最后，當其中一個量子比特在|0?、|1?基上被測量時，疊加態“有效地”坍縮，或者遵循彭羅斯的觀點，通過某種真實的物理過程“真正坍縮”。
圖1. 一個通用的量子電路，包含門操作和測量操作，作用于三個量子比特。所有量子比特都初始化為|0?狀態。一個哈達瑪門（Hadamard gate）在第一個量子比特上創建一個疊加態。受控X門（Controlled X gates）隨后將第一個量子比特與第二個和第三個量子比特糾纏，生成疊加態|000?+|111?。電路的末尾，每個量子比特都會被測量，實際上將疊加態坍縮到|111?。我們應當通過哪種操作來識別意識的物理相關性？我們建議，意識時刻發生在疊加態形成時。
在羅杰·彭羅斯的原始提案中，意識時刻發生在疊加態坍縮時。然而，如果，如這個例子所示，疊加態涉及多個量子比特，那么就會出現一個問題：當第一個量子比特被測量時，意識是如何在這些量子比特之間分配的。這里有兩種可能的答案：（i）只有第一個被測量的量子比特，以及引起疊加態坍縮的量子比特，才有意識體驗。（ii）所有三個量子比特都有意識體驗。答案（i）會遇到困難，因為在相對論的框架下，三個量子比特被測量的順序取決于參考框架。這導致了一個令人不滿意的結論：有意識體驗的量子比特也取決于參考框架。（可以通過假設每當一個量子比特被測量時，無論其量子狀態如何，都會產生一個意識時刻來回避這一難題。然而，既然這個假設同樣適用于沒有疊加態的經典狀態，那么它實際上是在說每當一個粒子碰撞到另一個粒子時，就會產生意識時刻。）答案（ii）也存在問題，因為如果所有三個量子比特都經歷一個意識時刻，那么就可以用它來構造一個通信通道，例如，通過實現摩爾斯電碼，從而實現超光速的信息傳輸。請記住，在標準的量子力學中，已經明確建立了糾纏不能用于實現超光速通信的理論。正是對坍縮導致在空間上分離的量子比特之間產生意識體驗的假設，才導致了這種違反。
為了避免這一違反，我們假設，意識時刻的產生并不是發生在疊加態坍縮時，而是在疊加態形成時。演化中的疊加態的結構和經歷該狀態的量子系統在其中所經歷的路徑決定了意識體驗的特質，即“在那個狀態下，成為該系統是什么樣的”[4,5]。我們的核心觀點是，系統只會經歷經典的、確定的狀態。這些狀態構成了量子系統所處的希爾伯特空間的基。如果一個經典狀態通過單位變換（正如薛定諤方程所規定）演化為量子疊加態，那么經歷這一狀態的系統將同時沿多個路徑演化。每條連接基態的路徑被稱為“費曼路徑”，并產生一系列獨特的意識時刻。因此，我們假設一個量子系統可能由許多經歷意識的心智組成，盡管這些心智往往非常簡單[6,7]。隨著系統從它剛經歷的基態演化，最初集中在該起始狀態上的概率質量將根據現有的相互作用擴展到光錐內的其他基態。起始狀態上的概率質量減少越多，過渡的可能性就越大。最終，取決于系統沿哪條費曼路徑演化，它將經歷過渡到一個不同的基態。為了說明在我們的假設中，疊加態的形成如何創造一個意識時刻，我們來考慮幾個例子（見表1）。
表1. 我們主張，在任何給定時刻，系統只能經歷確定的經典狀態。因此，當疊加態形成時，系統僅能意識到其組成基態。為此，我們列舉了當經典狀態|000?經歷量子力學過渡到其他狀態時所產生的意識體驗。這里的假設是，計算基，由|0?和|1?的張量積（即單量子比特狀態）構成，是優選基。
由于量子疊加態是依賴于基的概念，我們需要解決如何選擇優選基的問題。在這里，我們可以參考David Deutsch或Wojciech Zurek提出的建議，他們認為子系統之間的相互作用選擇了優選基，Deutsch稱之為“解釋基”[8]，Zurek稱之為“指示狀態基”[9]。關于這一主題，Wallace也有專著討論[10]。還可能應用集成信息理論中的原則，選擇最大化系統所經歷的集成信息的基[11,12,13]。
在我們的提案中，糾纏自然地解決了綁定問題，即現象體驗的統一性[14,15]，而不需要任何額外的假設。參與糾纏的自由度的數量界定了意識的數量和內容[16]。為了以原則化的方式量化體驗的內容，集成信息理論的量子力學實例所提出的Φ度量似乎是有利的，例如2018年Zanardi等人的研究[11,12]，或者2023年Alvantakis等人的研究[13]。下一節描述的實驗測試能夠探測由彭羅斯思想啟發的各種假設，包括他原始的假設。
二、一系列量子生物學實驗
構建意識科學理論的一個關鍵挑戰是，意識體驗不是一個傳統的實驗可觀測量，沒有相關的客觀測量協議，即與主體無關的測量協議。事實上，正如笛卡爾所著名地論述的那樣，我的體驗是我能絕對確信的唯一事物[17]。至于其他任何事物是否具有意識，例如你，必須通過推測作為所有可用信息的最可能解釋來推斷。因此，我無法確鑿地證明除了我自己之外，其他人是否有意識。也就是說，認識論的唯我論（solipsism），即我只能確信自己的意識，這是邏輯上自洽的[18]。盡管如此，推斷他人是否有意識是常見且隱式的——例如，詢問別人他們看到什么，或者他們感覺如何。在神經功能受損的患者中，如那些有意識障礙的患者，言語被命令跟隨（例如，動動眼睛）所取代。如果沒有這樣的交流，檢測意識變得非常具有挑戰性[19]。
要測量像飛機這樣的物體的位置或速度，任何工程師都知道該怎么做。但當任務是回答飛機的自動駕駛儀、像Google的Gemini這樣的大語言模型，或者一個腦類器官有多大意識時，我們對如何測量這些問題并沒有一致的看法。如果沒有一個廣泛接受的通用意識理論或實驗測試，任何此類主張都是空洞的。正如我們中一些人最近在一篇文章中所辯稱的那樣[20]，意識確實成為一種可觀察的量，在極限情況下，觀察系統與被觀察系統是完全相同的。但是，當我們觀察的系統與我們自己不相似時，這種協議就會崩潰，因此關于另一個人、一條魚、一棵樹、一塊石頭或執行LLM的計算機是否具有意識的爭論仍然沒有解決。在這里，我們描述了另一種方法，它允許我們提供實驗證據來驗證一個意識理論是否準確。它依賴于擴展自己的意識；因此，我們將這種方法稱為“擴展協議”。它繞過了困擾意識研究的挑戰。特別是，它將使我們能夠測試疊加態的產生是否會生成一個意識體驗。
2.1. 使用量子處理器擴展心智
在一個關鍵實驗中，研究者將建立人類大腦與量子計算機之間的物理聯系，以使得兩者能夠進行相干交互并介導糾纏。如果我們的假設是準確的，這應該能夠使組合系統的意識體驗更加豐富，所需的描述位數比沒有這種聯系時人類報告的體驗要更多。此外，這樣的設置可能允許調節體驗的特定感覺質量，正如下一段所解釋的那樣。圖2展示了將處于量子疊加態的系統|???????與量子計算機中處于疊加態的量子比特集|??????????進行耦合。在這些系統耦合之前，它們各自的狀態存在于不同的狀態空間中，分別是維度為N和M的希爾伯特空間。它們相互作用后，描述組合系統的波函數|???????????????存在于一個??×??維的希爾伯特空間中。我們假設，在這個更高維的狀態空間中形成的疊加態會被受試者體驗為比在描述孤立大腦的較低N維希爾伯特空間中形成的疊加態更豐富的體驗。一個引人入勝的假設是，這種擴展的意識發生在迷幻、神秘、瀕死和其他類型的非凡體驗中[21]，并不是通過與外部系統耦合，而是通過增加參與腦中疊加態形成的糾纏量子比特的數量。
圖 2. 人腦與量子處理器之間相干耦合的概念性示意圖。如果我們的假設是準確的，那么我們應該能夠通過創建疊加態 |??????????????? 來產生更豐富的體驗，該態描述了組合系統，并存在于比 |??????? 和 |?????????? 更大的狀態空間（希爾伯特空間）中，后者描述的是獨立的系統。
同樣，如果我們堅持使用Roger Penrose的原始提案，那么可以推論，量子力學疊加態坍縮到一個需要更多位來描述的經典狀態，會產生比坍縮到一個由較少位描述的經典狀態更豐富的體驗。
雖然這樣的實驗原則上是可能的，但它們在技術上非常具有挑戰性，可能需要侵入性技術。當前用于建立腦機接口的技術并沒有設計成支持大腦與量子計算機之間的相干耦合（即允許糾纏擴展的耦合）。任何這種耦合必須在不擾動人類大腦的保護顱骨和膜的情況下進行。
但未來的量子傳感技術，如結合光遺傳學方法的氮空位探針，可能最終允許這些協議的實施。需要工程化的細節繁多，即哪些神經細胞中的哪種細胞結構最為合適，應該將哪些自由度與神經組織耦合，以及如何耦合。簡而言之，我們需要闡明什么構成了神經生物學量子比特。盡管已有多種提議，如核自旋（Fisher [22]）、微管中的集體模式（Penrose 和 Hameroff [23]）或芳香環（Hameroff [24]），但我們在此時不做具體承諾，更傾向于通過實驗來回答這個問題。
首先，我們建議進行一項準備實驗。該實驗涉及通過生物基質介導兩個常溫量子比特之間的糾纏。它基于一個理論上有充分依據的方法，用以闡明未知系統的量子力學性質。它考慮了三個系統，其中兩個是已充分表征的，可以看作是量子比特或量子比特集，稱為 ??1 和 ??2。我們引入一個感興趣的系統，在本例中是生物基質 B。然后，我們將 ??1 與 B 相干耦合，同樣，??2 也與 B 相干耦合，注意不在 ??1 和 ??2 之間建立直接連接。如果我們發現可以通過系統 B 介導 ??1 和 ??2 之間的糾纏，那么我們可以得出結論，B 需要量子力學的描述[25,26]。這一范式相當靈活，可以研究不同的耦合方案和不同的基質 B。例如，B 可以是微管、受體蛋白（如視紫紅質）、單個神經細胞甚至腦類器官。此協議在圖 3 中進行了說明。
圖 3. 兩個量子比特，??1 和 ??2，通過生物基質 B 相干地連接（如水平箭頭所示）。該設置使我們能夠研究 B 是否可以作為量子通道，并介導 ??1 和 ??2 之間的糾纏。
2.2. 使用氙的同位素關閉大腦意識
為了決定哪些生物結構最有可能作為系統 B，并如何實現相干耦合，我們想從一個更簡單的實驗開始。事實上，這個實驗在某種程度上已經被進行過了。2018年，Li 等人將四組小鼠暴露于四種不同的氙同位素，它們在核中的中子數不同[27]。氙是一種惰性貴氣體，具有麻醉性質[28]。事實上，氙（原子序數為54）具有許多特性，使它在某種程度上成為理想的吸入劑——它無味、無毒、非爆炸性、環保，并且由于其化學穩定性，在體內不會轉化[28]。有趣的是，Li 等人關于氙同位素麻醉作用的研究表明，具有半整數核自旋的兩個同位素（Xe129 和 Xe131，分別為自旋 1/2 和 3/2）的效力比具有零核自旋的兩個同位素（Xe132 和 Xe134）低約 30%。如果這一差異得到證實，無法通過外部電子殼層的差異（實際上沒有差異）來解釋，也不太可能是由原子質量差異（Xe131 和 Xe132 之間的差異不到 1%）引起的。如果這一結果屬實，那么它可能表明氙對意識的某些影響可能是通過核自旋介導的，而核自旋是可以接受疊加的量子系統。令人感興趣的是，半整數自旋同位素的麻醉效力較低。這些非零自旋可能作為量子比特，參與更大疊加態的形成，而根據我們的假設，這種疊加態與更豐富的意識體驗相關，從而抵消麻醉效應。
Li 等人研究了80只小鼠（每種同位素20只）在不同氙同位素處理下失去平衡反射的ED50值，這為氙的作用機制提供的信息有限。鑒于生物醫學科學中三分之二的實驗無法重復[29]，重復重要實驗是非常重要的，特別是當它們挑戰廣泛接受的假設時。因此，我們計劃重復這個實驗，但這次我們希望“麻醉”腦類器官，重點是獲得具有高統計信度的結果。腦類器官，通過高密度電或光學陣列進行高帶寬測量，經過精心儀器化，已經成為一種強大的平臺，用于研究與人腦組織相似的活體神經組織（見圖4）[30]。
圖 4. 由人類誘導多能干細胞衍生的腦類器官可以模擬人腦發育的解剖組織、細胞組成和生理信號。這里直徑約2-3毫米，包含約10萬個神經元的腦類器官表現出結構化、非隨機且快速的電活動（包括動作電位）。因此，類器官的電活動代表了通用的人腦。
作為一種補充研究，旨在驗證與行為相關的氙同位素效應，我們還計劃將氙同位素施用到一種無脊椎動物——果蠅（果蠅，Drosophila Melanogaster）身上，它有約10萬個神經元。氙在常壓下不會完全麻醉果蠅。我們計劃測量其同位素引起果蠅失去行動的壓力。這將使我們能夠用良好的統計數據補充類器官研究，因為我們可以將麻醉氣體施用到足夠多的果蠅身上，以獲得統計學上高度可靠的結果。實驗可以在電子自旋光譜儀中進行，采用自旋共振監測自旋信號。這部分研究將在巴金漢大學的Luca Turin實驗室進行[31]。
如果我們能夠在這兩種截然不同的模型神經系統中復制Li等人的發現，那么我們將能夠發現潛在的細胞過程。與電子生成的電磁場相比，核自旋發出的電磁場相當微弱。在腦組織中，存在許多重疊的電磁場，這些電磁場由運動中的電荷、電子、自旋或外部來源（如地球磁場或手機塔）產生。我們已經從Meyer-Overton法則中得到了一些指示，表明麻醉劑作用于脂質、疏水性口袋[32]。（Meyer-Overton法則表明，可以通過麻醉劑在橄欖油中的溶解度預測其效力[33]。）因此，為了使微弱的同位素自旋效應顯現，需要一種相當特定的細胞環境。例如，有人提出這涉及到一個自由基對機制，這是一種量子生物效應，懷疑它是鳥類磁感應[34]或鋰對多動癥影響的基礎[35,36,37]。總之，必要的特異性水平可能提供一個線索，說明在麻醉過程中，維持意識物理相關性的哪個過程被中斷，并反過來，這可能提示如何耦合一個量子比特來實現擴展協議。
三、使用腦量子計算機接口調節意識的質感
如果我們的猜想是正確的，這將為理解物質狀態與體驗之間的關系提供一種新穎的途徑。如果我們成功實現擴展協議，就能更精確地研究這些關聯。想象一下，向一位大腦與量子處理器連接的用戶詢問他們的感受，然后測量量子比特（qubit）的狀態。接著，我們將尋找報告的情感的情感效價與測量的比特串之間的關聯。這可能揭示與不同物質狀態相關的意識質感（qualia）。因此，我們可能獲得以前所未有的細節和精度來定制體驗的能力。
在實現大腦與量子計算機的耦合之前，讓我們考慮一個更簡單的問題：給予志愿者亞麻醉劑量，能否區分不同的氙同位素，例如，通過它們不同的迷幻性質？盡管答案仍然未知 [38]，但已有證據表明同位素效應影響人類的感官和認知。例如，人類能夠區分氫原子被氘替代的氣味 [39]，而且他們能品嘗到氘代水比普通水更甜 [40]。鋰6和鋰7對情緒的影響不同 [41]。Matthew Fisher 提出了磷核自旋是大腦中最有可能成為量子比特候選者之一，可能賦予量子算法優勢 [22,42]。然而，在這些提案中，并未排除質量效應的影響。氙之所以具有吸引力的一個原因是，它比所引用實驗中使用的同位素更重，因此質量效應不太可能解釋同位素之間觀察到的差異。這些觀察結果暗示了依賴自旋機制在生物學中的潛在重要性，開辟了一個我們可以稱之為生物自旋電子學的新領域。在未來幾年，我們預計在將自旋標記附加到細胞組織中特定分子上方面會取得進展，從而使我們能實時、前所未有地控制分子層面的生物過程 [43]。
總之，我們提出了一個基礎研究計劃，旨在揭示量子效應是否在意識的物理基礎上起作用。該計劃的核心是建立大腦組織中的量子自由度與量子處理器之間的相干耦合。利用現代量子生物學方法，我們的目標是以非侵入性的方式（即無需外科手術干預）實現這種耦合。如果這一計劃成功，將能夠構建技術工具，擴展人類在空間、時間和復雜度上的意識體驗（見圖5）。
圖5. 將大腦與外部量子處理器進行相干連接，理想情況下采用非侵入性技術，可以構建技術輔助工具，擴展人類在空間、時間和復雜性方面的意識體驗。
四、量子疊加的形成可能有助于行動力的實現
量子疊加態的形成不僅可能創造意識體驗，還可能伴隨出現行動力的時刻。或許有機體可以在自由意志的意義上對其將要經歷的下一個經典配置做出某種程度的選擇。大自然是否利用了這種可能性，我們尚不能確定。然而我們可以確定的是，外部觀察者通常無法預測一個生物體的行為，甚至無法做出概率性的預測。如果描述量子系統演化的量子比特數接近100（這還不足以準確描述蛋白質的電子結構或質子內的色動力學），那么通常情況下，觀察者將無法給出概率，甚至不能預測某些結果的發生概率。這是因為計算2^100個結果的概率超出了任何可構建計算機的能力 [20]。這種情況被稱為Knight不確定性 [44]。
但為什么我們要懷疑在這種不可預測性背后隱藏著行動力的時刻呢？我們的論點基于以下觀察：有利于我們福祉的行為，也就是有利于維持體內平衡的行為，往往與愉悅的感覺相關，而威脅體內平衡的行為則感到不愉快。我們稱之為“體內平衡相關性”。如果人類可以充分被描述為確定性自動機，那么體內平衡相關性就很難解釋。如果行為是預定的，那么進化就不會選擇體內平衡相關性，因為無論生物體的感覺如何，其行為反正已經被決定了。即使給自動機提供一個隨機源來選擇行為，這也不會改變基本論點，因為在這種情況下，生物體的感覺也不重要。考慮到兩種對物種生存至關重要的行為——性交和生育——非常有啟發性。前者通常與愉悅相關，后者則與痛苦相關。為什么會這樣？我們認為，前者涉及選擇，而后者則不涉及，至少在史前時期，當人類大部分進化發生時，是這樣的。因此，我們認為大自然利用感覺作為誘餌或威懾，但這只有在有機體能夠采取行動以獲得愉快的狀態并避免不愉快的狀態時才有效。我們解釋愉悅感覺與有助于生物體福祉的行為之間相關性的一個可能方式是假設行動力的存在 [12,45]。如果有機體擁有自由選擇狀態的行動力，那么它可能會選擇愉悅的狀態，而不是不愉悅的狀態。通過擴展協議可以找到這一點的證據。我們可以測量 |???????????????，并詢問用戶其情感的價態。如果我們觀察到愉悅狀態的出現頻率高于不愉悅狀態，這可能表明用戶具有影響結果的行動力。量子操作，例如創建或塌縮疊加態，可能使一個系統（在給定時刻體驗單一經典現實）擁有行動力，并能夠表達選擇。在這種觀點下，從疊加態中選擇一個經典配置來實現意識體驗（即該經典配置的意識體驗），并賦予系統選擇該配置的行動力。
總之，我們認為量子處理器可用的操作可能是實現感知和行動力所必需的。反之，今天基于半導體電子學的人工智能系統受限于經典信息理論的規律。它們的計算可以通過概率圖靈機的操作來抽象。如果上述論點正確，那么這意味著這些操作不足以實現意識和行動力。更直接地說，圖靈機已經變得智能，但可能永遠無法成為有意識的。對于后者，必須使用量子圖靈機。
