人工智能可能永遠(yuǎn)無法擁有意識(shí) 精華
一、受羅杰·彭羅斯啟發(fā)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(gè)引人注目的假設(shè)[1]。他認(rèn)為量子過程對(duì)于形成意識(shí)的物理基礎(chǔ)至關(guān)重要。這個(gè)觀點(diǎn)具有吸引力，因?yàn)榱孔恿W(xué)的方程告訴我們，在任何時(shí)刻，一個(gè)物體——無論是我，還是整個(gè)世界——都處于多種狀態(tài)的疊加中。然而，在任何給定的時(shí)刻，我們只體驗(yàn)其中的一種。為了說明這一點(diǎn)，想象一個(gè)研究員走到谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)前，觀察一個(gè)量子比特（qubit）處于兩個(gè)狀態(tài)|0?和|1?的疊加態(tài)。如果研究員看到量子比特處于|0?狀態(tài)，那么描述量子系統(tǒng)時(shí)間演化的薛定諤方程告訴我們，還有另一個(gè)版本的研究員看到量子比特處于|1?狀態(tài)。量子物理學(xué)的這一特性——平行世界不斷生成——自量子物理學(xué)發(fā)明以來一直困擾著物理學(xué)家。休·埃弗雷特在1957年的博士論文中首次注意到，量子力學(xué)的方程，如果按字面意思理解，描述了一個(gè)由共存的平行世界組成的多重宇宙[2]。在量子物理學(xué)中，我們將日常經(jīng)驗(yàn)的世界稱為“經(jīng)典世界”。如果我們接受一個(gè)多重宇宙的現(xiàn)實(shí)模型，那么意識(shí)的一個(gè)有吸引力的解釋便顯現(xiàn)出來：意識(shí)是我們?nèi)绾误w驗(yàn)從多重宇宙中涌現(xiàn)出一個(gè)獨(dú)特經(jīng)典現(xiàn)實(shí)的過程。
彭羅斯的提案非常明確。他認(rèn)為，當(dāng)引力促使量子力學(xué)的疊加態(tài)發(fā)生坍縮時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)意識(shí)的時(shí)刻，這個(gè)過程他稱之為“客觀坍縮”。然而，在這里，我們認(rèn)為他的原始提案需要進(jìn)行一些修正。
首先，我們希望去除對(duì)引力的引用。引力是否會(huì)導(dǎo)致坍縮是可以測(cè)試的，但到目前為止，在實(shí)驗(yàn)室中尚未觀察到這一現(xiàn)象，初步的實(shí)驗(yàn)也未能發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)[3]。我們更傾向于堅(jiān)持經(jīng)典的量子力學(xué)理論，它教導(dǎo)我們，當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)（擁有大量自由度的系統(tǒng)）相互作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生“有效坍縮”，例如，在一個(gè)量子系統(tǒng)通過宏觀系統(tǒng)（如儀器或人）進(jìn)行測(cè)量時(shí)。這種相互作用導(dǎo)致了“環(huán)境誘導(dǎo)的去相干”，即關(guān)注的量子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的自由度發(fā)生了糾纏，從量子系統(tǒng)的角度來看，這就像是疊加態(tài)的有效坍縮。這也解釋了為什么我們能夠根據(jù)特定的基（由與外部系統(tǒng)的耦合，即環(huán)境設(shè)定）預(yù)測(cè)經(jīng)典的測(cè)量結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)的量子疊加（包括興趣系統(tǒng)和環(huán)境）仍然存在。坍縮的概念僅僅表示，雖然興趣系統(tǒng)可能仍然處于經(jīng)典狀態(tài)的疊加中，但該疊加不再通過干涉現(xiàn)象被觀察到。換句話說，興趣系統(tǒng)從一個(gè)純粹的量子態(tài)演變成了一個(gè)經(jīng)典態(tài)的混合體，這些經(jīng)典態(tài)共存而彼此并不知曉。
其次，我們提出，當(dāng)疊加態(tài)形成時(shí)，而不是坍縮時(shí)，才會(huì)發(fā)生意識(shí)時(shí)刻。這一修改是必要的，以避免彭羅斯原始提案在應(yīng)用于多個(gè)糾纏量子比特時(shí)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(shí)發(fā)生測(cè)量的概念問題，因?yàn)樗邢嗷プ饔枚急灰暈橄嗤?。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(xué)模型中。圖1展示了一個(gè)量子電路示例，其中門操作和測(cè)量操作作用于三個(gè)量子比特，每個(gè)量子比特都初始化為|0?狀態(tài)。首先，在第一個(gè)量子比特上形成疊加態(tài)，然后通過糾纏操作將其傳播到所有量子比特上，最后，當(dāng)其中一個(gè)量子比特在|0?、|1?基上被測(cè)量時(shí)，疊加態(tài)“有效地”坍縮，或者遵循彭羅斯的觀點(diǎn)，通過某種真實(shí)的物理過程“真正坍縮”。
圖1. 一個(gè)通用的量子電路，包含門操作和測(cè)量操作，作用于三個(gè)量子比特。所有量子比特都初始化為|0?狀態(tài)。一個(gè)哈達(dá)瑪門（Hadamard gate）在第一個(gè)量子比特上創(chuàng)建一個(gè)疊加態(tài)。受控X門（Controlled X gates）隨后將第一個(gè)量子比特與第二個(gè)和第三個(gè)量子比特糾纏，生成疊加態(tài)|000?+|111?。電路的末尾，每個(gè)量子比特都會(huì)被測(cè)量，實(shí)際上將疊加態(tài)坍縮到|111?。我們應(yīng)當(dāng)通過哪種操作來識(shí)別意識(shí)的物理相關(guān)性？我們建議，意識(shí)時(shí)刻發(fā)生在疊加態(tài)形成時(shí)。
在羅杰·彭羅斯的原始提案中，意識(shí)時(shí)刻發(fā)生在疊加態(tài)坍縮時(shí)。然而，如果，如這個(gè)例子所示，疊加態(tài)涉及多個(gè)量子比特，那么就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)量子比特被測(cè)量時(shí)，意識(shí)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(gè)被測(cè)量的量子比特，以及引起疊加態(tài)坍縮的量子比特，才有意識(shí)體驗(yàn)。（ii）所有三個(gè)量子比特都有意識(shí)體驗(yàn)。答案（i）會(huì)遇到困難，因?yàn)樵谙鄬?duì)論的框架下，三個(gè)量子比特被測(cè)量的順序取決于參考框架。這導(dǎo)致了一個(gè)令人不滿意的結(jié)論：有意識(shí)體驗(yàn)的量子比特也取決于參考框架。（可以通過假設(shè)每當(dāng)一個(gè)量子比特被測(cè)量時(shí)，無論其量子狀態(tài)如何，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)意識(shí)時(shí)刻來回避這一難題。然而，既然這個(gè)假設(shè)同樣適用于沒有疊加態(tài)的經(jīng)典狀態(tài)，那么它實(shí)際上是在說每當(dāng)一個(gè)粒子碰撞到另一個(gè)粒子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生意識(shí)時(shí)刻。）答案（ii）也存在問題，因?yàn)槿绻腥齻€(gè)量子比特都經(jīng)歷一個(gè)意識(shí)時(shí)刻，那么就可以用它來構(gòu)造一個(gè)通信通道，例如，通過實(shí)現(xiàn)摩爾斯電碼，從而實(shí)現(xiàn)超光速的信息傳輸。請(qǐng)記住，在標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)中，已經(jīng)明確建立了糾纏不能用于實(shí)現(xiàn)超光速通信的理論。正是對(duì)坍縮導(dǎo)致在空間上分離的量子比特之間產(chǎn)生意識(shí)體驗(yàn)的假設(shè)，才導(dǎo)致了這種違反。
為了避免這一違反，我們假設(shè)，意識(shí)時(shí)刻的產(chǎn)生并不是發(fā)生在疊加態(tài)坍縮時(shí)，而是在疊加態(tài)形成時(shí)。演化中的疊加態(tài)的結(jié)構(gòu)和經(jīng)歷該狀態(tài)的量子系統(tǒng)在其中所經(jīng)歷的路徑?jīng)Q定了意識(shí)體驗(yàn)的特質(zhì)，即“在那個(gè)狀態(tài)下，成為該系統(tǒng)是什么樣的”[4,5]。我們的核心觀點(diǎn)是，系統(tǒng)只會(huì)經(jīng)歷經(jīng)典的、確定的狀態(tài)。這些狀態(tài)構(gòu)成了量子系統(tǒng)所處的希爾伯特空間的基。如果一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)通過單位變換（正如薛定諤方程所規(guī)定）演化為量子疊加態(tài)，那么經(jīng)歷這一狀態(tài)的系統(tǒng)將同時(shí)沿多個(gè)路徑演化。每條連接基態(tài)的路徑被稱為“費(fèi)曼路徑”，并產(chǎn)生一系列獨(dú)特的意識(shí)時(shí)刻。因此，我們假設(shè)一個(gè)量子系統(tǒng)可能由許多經(jīng)歷意識(shí)的心智組成，盡管這些心智往往非常簡(jiǎn)單[6,7]。隨著系統(tǒng)從它剛經(jīng)歷的基態(tài)演化，最初集中在該起始狀態(tài)上的概率質(zhì)量將根據(jù)現(xiàn)有的相互作用擴(kuò)展到光錐內(nèi)的其他基態(tài)。起始狀態(tài)上的概率質(zhì)量減少越多，過渡的可能性就越大。最終，取決于系統(tǒng)沿哪條費(fèi)曼路徑演化，它將經(jīng)歷過渡到一個(gè)不同的基態(tài)。為了說明在我們的假設(shè)中，疊加態(tài)的形成如何創(chuàng)造一個(gè)意識(shí)時(shí)刻，我們來考慮幾個(gè)例子（見表1）。
表1. 我們主張，在任何給定時(shí)刻，系統(tǒng)只能經(jīng)歷確定的經(jīng)典狀態(tài)。因此，當(dāng)疊加態(tài)形成時(shí)，系統(tǒng)僅能意識(shí)到其組成基態(tài)。為此，我們列舉了當(dāng)經(jīng)典狀態(tài)|000?經(jīng)歷量子力學(xué)過渡到其他狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的意識(shí)體驗(yàn)。這里的假設(shè)是，計(jì)算基，由|0?和|1?的張量積（即單量子比特狀態(tài)）構(gòu)成，是優(yōu)選基。
由于量子疊加態(tài)是依賴于基的概念，我們需要解決如何選擇優(yōu)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(rèn)為子系統(tǒng)之間的相互作用選擇了優(yōu)選基，Deutsch稱之為“解釋基”[8]，Zurek稱之為“指示狀態(tài)基”[9]。關(guān)于這一主題，Wallace也有專著討論[10]。還可能應(yīng)用集成信息理論中的原則，選擇最大化系統(tǒng)所經(jīng)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(xiàn)象體驗(yàn)的統(tǒng)一性[14,15]，而不需要任何額外的假設(shè)。參與糾纏的自由度的數(shù)量界定了意識(shí)的數(shù)量和內(nèi)容[16]。為了以原則化的方式量化體驗(yàn)的內(nèi)容，集成信息理論的量子力學(xué)實(shí)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(jié)描述的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能夠探測(cè)由彭羅斯思想啟發(fā)的各種假設(shè)，包括他原始的假設(shè)。
二、一系列量子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)
構(gòu)建意識(shí)科學(xué)理論的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，意識(shí)體驗(yàn)不是一個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)量，沒有相關(guān)的客觀測(cè)量協(xié)議，即與主體無關(guān)的測(cè)量協(xié)議。事實(shí)上，正如笛卡爾所著名地論述的那樣，我的體驗(yàn)是我能絕對(duì)確信的唯一事物[17]。至于其他任何事物是否具有意識(shí)，例如你，必須通過推測(cè)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(shí)。也就是說，認(rèn)識(shí)論的唯我論（solipsism），即我只能確信自己的意識(shí)，這是邏輯上自洽的[18]。盡管如此，推斷他人是否有意識(shí)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(jīng)功能受損的患者中，如那些有意識(shí)障礙的患者，言語被命令跟隨（例如，動(dòng)動(dòng)眼睛）所取代。如果沒有這樣的交流，檢測(cè)意識(shí)變得非常具有挑戰(zhàn)性[19]。
要測(cè)量像飛機(jī)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(dāng)任務(wù)是回答飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀、像Google的Gemini這樣的大語言模型，或者一個(gè)腦類器官有多大意識(shí)時(shí)，我們對(duì)如何測(cè)量這些問題并沒有一致的看法。如果沒有一個(gè)廣泛接受的通用意識(shí)理論或?qū)嶒?yàn)測(cè)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(shí)確實(shí)成為一種可觀察的量，在極限情況下，觀察系統(tǒng)與被觀察系統(tǒng)是完全相同的。但是，當(dāng)我們觀察的系統(tǒng)與我們自己不相似時(shí)，這種協(xié)議就會(huì)崩潰，因此關(guān)于另一個(gè)人、一條魚、一棵樹、一塊石頭或執(zhí)行LLM的計(jì)算機(jī)是否具有意識(shí)的爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)來驗(yàn)證一個(gè)意識(shí)理論是否準(zhǔn)確。它依賴于擴(kuò)展自己的意識(shí)；因此，我們將這種方法稱為“擴(kuò)展協(xié)議”。它繞過了困擾意識(shí)研究的挑戰(zhàn)。特別是，它將使我們能夠測(cè)試疊加態(tài)的產(chǎn)生是否會(huì)生成一個(gè)意識(shí)體驗(yàn)。
2.1. 使用量子處理器擴(kuò)展心智
在一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，研究者將建立人類大腦與量子計(jì)算機(jī)之間的物理聯(lián)系，以使得兩者能夠進(jìn)行相干交互并介導(dǎo)糾纏。如果我們的假設(shè)是準(zhǔn)確的，這應(yīng)該能夠使組合系統(tǒng)的意識(shí)體驗(yàn)更加豐富，所需的描述位數(shù)比沒有這種聯(lián)系時(shí)人類報(bào)告的體驗(yàn)要更多。此外，這樣的設(shè)置可能允許調(diào)節(jié)體驗(yàn)的特定感覺質(zhì)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(tài)的系統(tǒng)|???????與量子計(jì)算機(jī)中處于疊加態(tài)的量子比特集|??????????進(jìn)行耦合。在這些系統(tǒng)耦合之前，它們各自的狀態(tài)存在于不同的狀態(tài)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(tǒng)的波函數(shù)|???????????????存在于一個(gè)??×??維的希爾伯特空間中。我們假設(shè)，在這個(gè)更高維的狀態(tài)空間中形成的疊加態(tài)會(huì)被受試者體驗(yàn)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(tài)更豐富的體驗(yàn)。一個(gè)引人入勝的假設(shè)是，這種擴(kuò)展的意識(shí)發(fā)生在迷幻、神秘、瀕死和其他類型的非凡體驗(yàn)中[21]，并不是通過與外部系統(tǒng)耦合，而是通過增加參與腦中疊加態(tài)形成的糾纏量子比特的數(shù)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(shè)是準(zhǔn)確的，那么我們應(yīng)該能夠通過創(chuàng)建疊加態(tài) |??????????????? 來產(chǎn)生更豐富的體驗(yàn)，該態(tài)描述了組合系統(tǒng)，并存在于比 |??????? 和 |?????????? 更大的狀態(tài)空間（希爾伯特空間）中，后者描述的是獨(dú)立的系統(tǒng)。
同樣，如果我們堅(jiān)持使用Roger Penrose的原始提案，那么可以推論，量子力學(xué)疊加態(tài)坍縮到一個(gè)需要更多位來描述的經(jīng)典狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生比坍縮到一個(gè)由較少位描述的經(jīng)典狀態(tài)更豐富的體驗(yàn)。
雖然這樣的實(shí)驗(yàn)原則上是可能的，但它們?cè)诩夹g(shù)上非常具有挑戰(zhàn)性，可能需要侵入性技術(shù)。當(dāng)前用于建立腦機(jī)接口的技術(shù)并沒有設(shè)計(jì)成支持大腦與量子計(jì)算機(jī)之間的相干耦合（即允許糾纏擴(kuò)展的耦合）。任何這種耦合必須在不擾動(dòng)人類大腦的保護(hù)顱骨和膜的情況下進(jìn)行。
但未來的量子傳感技術(shù)，如結(jié)合光遺傳學(xué)方法的氮空位探針，可能最終允許這些協(xié)議的實(shí)施。需要工程化的細(xì)節(jié)繁多，即哪些神經(jīng)細(xì)胞中的哪種細(xì)胞結(jié)構(gòu)最為合適，應(yīng)該將哪些自由度與神經(jīng)組織耦合，以及如何耦合。簡(jiǎn)而言之，我們需要闡明什么構(gòu)成了神經(jīng)生物學(xué)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(huán)（Hameroff [24]），但我們?cè)诖藭r(shí)不做具體承諾，更傾向于通過實(shí)驗(yàn)來回答這個(gè)問題。
首先，我們建議進(jìn)行一項(xiàng)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)涉及通過生物基質(zhì)介導(dǎo)兩個(gè)常溫量子比特之間的糾纏。它基于一個(gè)理論上有充分依據(jù)的方法，用以闡明未知系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)。它考慮了三個(gè)系統(tǒng)，其中兩個(gè)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(gè)感興趣的系統(tǒng)，在本例中是生物基質(zhì) 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(fā)現(xiàn)可以通過系統(tǒng) B 介導(dǎo) ??1 和 ??2 之間的糾纏，那么我們可以得出結(jié)論，B 需要量子力學(xué)的描述[25,26]。這一范式相當(dāng)靈活，可以研究不同的耦合方案和不同的基質(zhì) B。例如，B 可以是微管、受體蛋白（如視紫紅質(zhì)）、單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞甚至腦類器官。此協(xié)議在圖 3 中進(jìn)行了說明。
圖 3. 兩個(gè)量子比特，??1 和 ??2，通過生物基質(zhì) B 相干地連接（如水平箭頭所示）。該設(shè)置使我們能夠研究 B 是否可以作為量子通道，并介導(dǎo) ??1 和 ??2 之間的糾纏。
2.2. 使用氙的同位素關(guān)閉大腦意識(shí)
為了決定哪些生物結(jié)構(gòu)最有可能作為系統(tǒng) B，并如何實(shí)現(xiàn)相干耦合，我們想從一個(gè)更簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)開始。事實(shí)上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在某種程度上已經(jīng)被進(jìn)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?cè)诤酥械闹凶訑?shù)不同[27]。氙是一種惰性貴氣體，具有麻醉性質(zhì)[28]。事實(shí)上，氙（原子序數(shù)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(huán)保，并且由于其化學(xué)穩(wěn)定性，在體內(nèi)不會(huì)轉(zhuǎn)化[28]。有趣的是，Li 等人關(guān)于氙同位素麻醉作用的研究表明，具有半整數(shù)核自旋的兩個(gè)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(gè)同位素（Xe132 和 Xe134）低約 30%。如果這一差異得到證實(shí)，無法通過外部電子殼層的差異（實(shí)際上沒有差異）來解釋，也不太可能是由原子質(zhì)量差異（Xe131 和 Xe132 之間的差異不到 1%）引起的。如果這一結(jié)果屬實(shí)，那么它可能表明氙對(duì)意識(shí)的某些影響可能是通過核自旋介導(dǎo)的，而核自旋是可以接受疊加的量子系統(tǒng)。令人感興趣的是，半整數(shù)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(tài)的形成，而根據(jù)我們的假設(shè)，這種疊加態(tài)與更豐富的意識(shí)體驗(yàn)相關(guān)，從而抵消麻醉效應(yīng)。
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(jī)制提供的信息有限。鑒于生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中三分之二的實(shí)驗(yàn)無法重復(fù)[29]，重復(fù)重要實(shí)驗(yàn)是非常重要的，特別是當(dāng)它們挑戰(zhàn)廣泛接受的假設(shè)時(shí)。因此，我們計(jì)劃重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但這次我們希望“麻醉”腦類器官，重點(diǎn)是獲得具有高統(tǒng)計(jì)信度的結(jié)果。腦類器官，通過高密度電或光學(xué)陣列進(jìn)行高帶寬測(cè)量，經(jīng)過精心儀器化，已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的平臺(tái)，用于研究與人腦組織相似的活體神經(jīng)組織（見圖4）[30]。
圖 4. 由人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的腦類器官可以模擬人腦發(fā)育的解剖組織、細(xì)胞組成和生理信號(hào)。這里直徑約2-3毫米，包含約10萬個(gè)神經(jīng)元的腦類器官表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)化、非隨機(jī)且快速的電活動(dòng)（包括動(dòng)作電位）。因此，類器官的電活動(dòng)代表了通用的人腦。
作為一種補(bǔ)充研究，旨在驗(yàn)證與行為相關(guān)的氙同位素效應(yīng)，我們還計(jì)劃將氙同位素施用到一種無脊椎動(dòng)物——果蠅（果蠅，Drosophila Melanogaster）身上，它有約10萬個(gè)神經(jīng)元。氙在常壓下不會(huì)完全麻醉果蠅。我們計(jì)劃測(cè)量其同位素引起果蠅失去行動(dòng)的壓力。這將使我們能夠用良好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)補(bǔ)充類器官研究，因?yàn)槲覀兛梢詫⒙樽須怏w施用到足夠多的果蠅身上，以獲得統(tǒng)計(jì)學(xué)上高度可靠的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)可以在電子自旋光譜儀中進(jìn)行，采用自旋共振監(jiān)測(cè)自旋信號(hào)。這部分研究將在巴金漢大學(xué)的Luca Turin實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行[31]。
如果我們能夠在這兩種截然不同的模型神經(jīng)系統(tǒng)中復(fù)制Li等人的發(fā)現(xiàn)，那么我們將能夠發(fā)現(xiàn)潛在的細(xì)胞過程。與電子生成的電磁場(chǎng)相比，核自旋發(fā)出的電磁場(chǎng)相當(dāng)微弱。在腦組織中，存在許多重疊的電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)由運(yùn)動(dòng)中的電荷、電子、自旋或外部來源（如地球磁場(chǎng)或手機(jī)塔）產(chǎn)生。我們已經(jīng)從Meyer-Overton法則中得到了一些指示，表明麻醉劑作用于脂質(zhì)、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(yù)測(cè)其效力[33]。）因此，為了使微弱的同位素自旋效應(yīng)顯現(xiàn)，需要一種相當(dāng)特定的細(xì)胞環(huán)境。例如，有人提出這涉及到一個(gè)自由基對(duì)機(jī)制，這是一種量子生物效應(yīng)，懷疑它是鳥類磁感應(yīng)[34]或鋰對(duì)多動(dòng)癥影響的基礎(chǔ)[35,36,37]?？傊?，必要的特異性水平可能提供一個(gè)線索，說明在麻醉過程中，維持意識(shí)物理相關(guān)性的哪個(gè)過程被中斷，并反過來，這可能提示如何耦合一個(gè)量子比特來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展協(xié)議。
三、使用腦量子計(jì)算機(jī)接口調(diào)節(jié)意識(shí)的質(zhì)感
如果我們的猜想是正確的，這將為理解物質(zhì)狀態(tài)與體驗(yàn)之間的關(guān)系提供一種新穎的途徑。如果我們成功實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展協(xié)議，就能更精確地研究這些關(guān)聯(lián)。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(cè)量量子比特（qubit）的狀態(tài)。接著，我們將尋找報(bào)告的情感的情感效價(jià)與測(cè)量的比特串之間的關(guān)聯(lián)。這可能揭示與不同物質(zhì)狀態(tài)相關(guān)的意識(shí)質(zhì)感（qualia）。因此，我們可能獲得以前所未有的細(xì)節(jié)和精度來定制體驗(yàn)的能力。
在實(shí)現(xiàn)大腦與量子計(jì)算機(jī)的耦合之前，讓我們考慮一個(gè)更簡(jiǎn)單的問題：給予志愿者亞麻醉劑量，能否區(qū)分不同的氙同位素，例如，通過它們不同的迷幻性質(zhì)？盡管答案仍然未知 [38]，但已有證據(jù)表明同位素效應(yīng)影響人類的感官和認(rèn)知。例如，人類能夠區(qū)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(duì)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(yōu)勢(shì) [22,42]。然而，在這些提案中，并未排除質(zhì)量效應(yīng)的影響。氙之所以具有吸引力的一個(gè)原因是，它比所引用實(shí)驗(yàn)中使用的同位素更重，因此質(zhì)量效應(yīng)不太可能解釋同位素之間觀察到的差異。這些觀察結(jié)果暗示了依賴自旋機(jī)制在生物學(xué)中的潛在重要性，開辟了一個(gè)我們可以稱之為生物自旋電子學(xué)的新領(lǐng)域。在未來幾年，我們預(yù)計(jì)在將自旋標(biāo)記附加到細(xì)胞組織中特定分子上方面會(huì)取得進(jìn)展，從而使我們能實(shí)時(shí)、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(gè)基礎(chǔ)研究計(jì)劃，旨在揭示量子效應(yīng)是否在意識(shí)的物理基礎(chǔ)上起作用。該計(jì)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(xiàn)代量子生物學(xué)方法，我們的目標(biāo)是以非侵入性的方式（即無需外科手術(shù)干預(yù)）實(shí)現(xiàn)這種耦合。如果這一計(jì)劃成功，將能夠構(gòu)建技術(shù)工具，擴(kuò)展人類在空間、時(shí)間和復(fù)雜度上的意識(shí)體驗(yàn)（見圖5）。
圖5. 將大腦與外部量子處理器進(jìn)行相干連接，理想情況下采用非侵入性技術(shù)，可以構(gòu)建技術(shù)輔助工具，擴(kuò)展人類在空間、時(shí)間和復(fù)雜性方面的意識(shí)體驗(yàn)。
四、量子疊加的形成可能有助于行動(dòng)力的實(shí)現(xiàn)
量子疊加態(tài)的形成不僅可能創(chuàng)造意識(shí)體驗(yàn)，還可能伴隨出現(xiàn)行動(dòng)力的時(shí)刻。或許有機(jī)體可以在自由意志的意義上對(duì)其將要經(jīng)歷的下一個(gè)經(jīng)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(yù)測(cè)一個(gè)生物體的行為，甚至無法做出概率性的預(yù)測(cè)。如果描述量子系統(tǒng)演化的量子比特?cái)?shù)接近100（這還不足以準(zhǔn)確描述蛋白質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)或質(zhì)子內(nèi)的色動(dòng)力學(xué)），那么通常情況下，觀察者將無法給出概率，甚至不能預(yù)測(cè)某些結(jié)果的發(fā)生概率。這是因?yàn)橛?jì)算2^100個(gè)結(jié)果的概率超出了任何可構(gòu)建計(jì)算機(jī)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(yù)測(cè)性背后隱藏著行動(dòng)力的時(shí)刻呢？我們的論點(diǎn)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(nèi)平衡的行為，往往與愉悅的感覺相關(guān)，而威脅體內(nèi)平衡的行為則感到不愉快。我們稱之為“體內(nèi)平衡相關(guān)性”。如果人類可以充分被描述為確定性自動(dòng)機(jī)，那么體內(nèi)平衡相關(guān)性就很難解釋。如果行為是預(yù)定的，那么進(jìn)化就不會(huì)選擇體內(nèi)平衡相關(guān)性，因?yàn)闊o論生物體的感覺如何，其行為反正已經(jīng)被決定了。即使給自動(dòng)機(jī)提供一個(gè)隨機(jī)源來選擇行為，這也不會(huì)改變基本論點(diǎn)，因?yàn)樵谶@種情況下，生物體的感覺也不重要?？紤]到兩種對(duì)物種生存至關(guān)重要的行為——性交和生育——非常有啟發(fā)性。前者通常與愉悅相關(guān)，后者則與痛苦相關(guān)。為什么會(huì)這樣？我們認(rèn)為，前者涉及選擇，而后者則不涉及，至少在史前時(shí)期，當(dāng)人類大部分進(jìn)化發(fā)生時(shí)，是這樣的。因此，我們認(rèn)為大自然利用感覺作為誘餌或威懾，但這只有在有機(jī)體能夠采取行動(dòng)以獲得愉快的狀態(tài)并避免不愉快的狀態(tài)時(shí)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(guān)性的一個(gè)可能方式是假設(shè)行動(dòng)力的存在 [12,45]。如果有機(jī)體擁有自由選擇狀態(tài)的行動(dòng)力，那么它可能會(huì)選擇愉悅的狀態(tài)，而不是不愉悅的狀態(tài)。通過擴(kuò)展協(xié)議可以找到這一點(diǎn)的證據(jù)。我們可以測(cè)量 |???????????????，并詢問用戶其情感的價(jià)態(tài)。如果我們觀察到愉悅狀態(tài)的出現(xiàn)頻率高于不愉悅狀態(tài)，這可能表明用戶具有影響結(jié)果的行動(dòng)力。量子操作，例如創(chuàng)建或塌縮疊加態(tài)，可能使一個(gè)系統(tǒng)（在給定時(shí)刻體驗(yàn)單一經(jīng)典現(xiàn)實(shí)）擁有行動(dòng)力，并能夠表達(dá)選擇。在這種觀點(diǎn)下，從疊加態(tài)中選擇一個(gè)經(jīng)典配置來實(shí)現(xiàn)意識(shí)體驗(yàn)（即該經(jīng)典配置的意識(shí)體驗(yàn)），并賦予系統(tǒng)選擇該配置的行動(dòng)力。
總之，我們認(rèn)為量子處理器可用的操作可能是實(shí)現(xiàn)感知和行動(dòng)力所必需的。反之，今天基于半導(dǎo)體電子學(xué)的人工智能系統(tǒng)受限于經(jīng)典信息理論的規(guī)律。它們的計(jì)算可以通過概率圖靈機(jī)的操作來抽象。如果上述論點(diǎn)正確，那么這意味著這些操作不足以實(shí)現(xiàn)意識(shí)和行動(dòng)力。更直接地說，圖靈機(jī)已經(jīng)變得智能，但可能永遠(yuǎn)無法成為有意識(shí)的。對(duì)于后者，必須使用量子圖靈機(jī)。
