把薛定谔的猫换成人会怎么样？这些科学家真的想这么做

量子叠加态会因观测坍缩至确定的量子态，但观测者本身是否会影响这一过程？对此，物理学家尤金·维格纳曾假想过一位思维处于叠加态的人类朋友，希望借此探讨针对同一系统不同观测者观测结果不同的悖论。但原则上，让人类处于叠加态过于困难，导致这一思想实验始终难以得到测试。最近，一些科学家提出，如果用未来量子计算机中的AI代替维格纳的朋友，或许能帮助我们解答有关现实是否绝对客观的疑问。

在这篇来自《环球科学》2024年8月新刊的文章中，我们将跟随斯阿尼尔·阿南塔斯瓦米的讲述，看看这些科学家让人类处于叠加态的思想实验。读完这篇文章后，欢迎留下你的问题，我们将在下一次推刊栏目中解答。

20世纪初，物理学熔炉中涌现出许多新的概念，其中最令人困惑的是：量子力学描述的对象可以同时存在多种状态。例如，一个粒子可以同时存在于多个不同的地方。这一概念得到了数学推导和实验结果的一致支持。除此之外，粒子若想从这种“叠加”状态转变到单一状态，似乎只能通过某人或者某物观测它，从而引起叠加状态的“坍缩”。这种神奇的现象牵连出一系列疑问：观测者仅仅是发现了坍缩的结果，还是导致了坍缩的发生？坍缩过程是否真的客观存在？观测者可以是单个光子吗？还是必须是一个有意识的人类？

最后一个问题由美籍匈牙利裔物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）在1961年提出。他为此设计了一个思想实验，需要他自己和一位假想的朋友合作完成。在一个完全与外界隔绝的实验室中，这位朋友将观测一个处于两种状态的叠加态的量子系统。其中，一种状态会产生一道闪光，另一种状态则不会。而维格纳将在外部观察整个实验室。需要注意的一点是，观察仅仅是对系统所处的状态进行描述，而不像观测一样，涉及主动执行的测量操作。

在维格纳的思想实验中，如果这个实验室与外界隔绝，它应该会按照量子力学的规律演化（即始终处于叠加态），这将导致维格纳的观察和朋友的观测出现矛盾。朋友会因观测致使量子叠加态坍缩，从而看到一个具体的结果（有无闪光），但维格纳必须认为朋友与实验室处在两种状态的叠加状态：一种是系统产生闪光，且朋友看到闪光的状态；另一种是系统没有发生闪光，朋友也什么都没有看到的状态。此刻，朋友的状态很像处于生与死的叠加态的薛定谔的猫。最终，维格纳会询问朋友看到了什么，整个系统随之坍缩到两种状态中的一个。由此产生了一个悖论。

在过去的十年中，物理学家提出并实施了一些弱化版本的实验。当然，他们无法完全按照维格纳的设想进行实验，因为原则上人类很难处于叠加态。但科学家可以用光子代替维格纳的朋友来测试这一想法。简单来说，“观测”行为其实是环境或者某个外部系统与被观测系统的相互作用。最简单的观测是单个光子与系统之间的相互作用。这种相互作用会使光子转变为叠加态，携带所观测系统的信息。这些实验证明了维格纳朋友的悖论真实存在，为了解决它，物理学家可能不得不放弃他们笃信的一些对于客观现实的信念。但单光子显然无法和人类观察者相媲美。

为了全面理解维格纳的设想，科学家构想了一个观测者，使之更接近原始叙述中的“朋友”，尽管这种构想很像科幻创作。澳大利亚格里菲斯大学量子动力学中心的主任霍华德·M.怀斯曼（Howard M. Wiseman）和同事想象了一个未来世界的“朋友”——量子计算机中能像人类一样思考的人工智能（AI）。AI产生思想的计算过程基于量子力学原理，因此它将会处于同时拥有不同想法的叠加状态（比如，“我看到了闪光”和“我没有看到闪光”）。这样的AI尚未存在，但科学家认为它是可行的。即使这种构想只能在遥远的未来进行测试，然而，仅仅思考这种类型的观测者，就可以让我们理清客观现实的哪些部分值得怀疑，哪些部分可能要为解决维格纳悖论而不得不抛弃。

当然，AI的思考可能永远无法代替人类，而维格纳的悖论也将继续困扰我们。但如果我们认同未来可以构建出量子版本的AI，那么深入研究这一构想可能有助于揭示宇宙的一些基本原理，或许能帮助我们理解，如何确定谁或者什么是真正的观测者？观测是否会破坏叠加态？甚至更深层的疑问：测量结果与观测者的身份是否有关——这可能意味着，我们的世界没有绝对客观的事实。

维格纳的AI朋友

维格纳的AI朋友实验其实是一种测试所谓“不可行定理”（no-go theorem）的方法，该定理可以检验某些关于现实的基本原理是否正确。怀斯曼和他在格里菲斯大学的同事埃里克·卡瓦尔坎蒂（Eric Cavalcanti）以及美国航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的量子人工智能实验室负责人埃莉诺·里费尔（Eleanor Rieffel）共同设计并提出了这一构想。它从一组关于现实的基本假设出发，而所有这些假设看起来都极为合理。

假设一：我们可以自由选择测量设备的设置；假设二：所有物理规律都是定域的，这意味着在时空某一区域的操作，不能以超光速的速度影响时空的另一区域；假设三：观测到的事件绝对客观，即测量结果对所有人类观测者而言都是真实的，即使并不为所有人知晓。换句话说，如果你抛掷一枚量子硬币，得到了两种可能结果中的一个，比如正面朝上，那么这一事实对于所有观测者都成立；对于其他观测者而言，这枚硬币不可能处于反面朝上的状态。

基于这些假设，研究人员在设计方案时考虑了维格纳对人类意识的看法。维格纳认为，意识与其他任何事物都不同，因此必须要区别对待。为了在他的思想实验中强调这一点，他要求我们将实验室中的一个原子视为“朋友”。当原子和粒子发生相互作用，或者说，测量粒子时，整个系统最终会处于两种状态的叠加：一种状态中粒子发光，原子吸收光进入更高的能级；另一种状态中粒子不发光，原子保持在最低能级。只有当维格纳主动检查实验室时，原子才会进入这两种状态中的一种。

这一点并不难以接受。只要原子处在孤立状态，它确实可以保持叠加态。但如果“朋友”是一个人类，那么维格纳在实验室外和朋友在实验室内的视角就会彼此冲突。此外，朋友可以在维格纳感知到这一切之前，就知道是否发生了闪光。“由此可见，具有意识的存在与无生命的测量设备，在量子力学中一定扮演着不同的角色，”维格纳写道。但他的论点真的合理吗？作为观测者，人类与原子真的有本质上的不同吗？

怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里费尔通过增加第四个假设来直面这一问题，他们称其为“友好性假设”。该假设规定：如果人工智能表现出与人类相当的智能，其思考就和人类一样真实。友好性假设明确给出了观测者的定义，“它是一个和我们一样智能的系统，”卡瓦尔坎蒂说。

经过大量的辩论后，这个团队最终选择了“智能”而非“意识”的概念。在他们的讨论中，卡瓦尔坎蒂认为智能可以被量化。“但我们无法测试他者是否有意识，即使是人类也不行，更别说计算机了，”他说。因此，如果一个达到人类智能水平的AI被制造出来，那么它是否具有意识将是不明确的，或许我们仍会否认它具有意识。“但否认它拥有智能要困难得多，”卡瓦尔坎蒂说道。

在详细描述了所有用到的假设后，研究人员提出，如果使用量子版本的AI，以高精度进行他们设计的维格纳朋友实验，或将引发一个矛盾。基于不可行定理，出现矛盾意味着至少有一个假设是错误的。物理学家将不得不放弃他们所珍视的关于现实的一些基本信念。

为了证明他们的构想，怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里费尔假设存在一种人类智能水平的强大AI（例如，ChatGPT的未来版本），它可以在量子计算机中运行。他们将这台机器命名为QUALL-E，这个名字来源于OpenAI公司的图像生成AI程序DALL-E，以及动画电影《机器人总动员》中的机器人WALL-E。

岌岌可危的现实

现在思考一个假设，未来某一天我们真的建成了QUALL-E。这时，QUALL-E将会扮演查理（Charlie）的角色，他坐在两位人类观测者，爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）之间，与二人一同参与类似维格纳的朋友的实验。查理和他的实验室构成了一个量子力学意义上的孤立系统。而三个人必须彼此相隔足够远，以确保任何人关于测量的选择不会影响到其他两人的测量结果。

实验从一个产生量子比特的源开始。在这种情境下，一个量子比特可以处于+1和-1的叠加状态。而量子比特的测量过程，涉及到一种被称为测量基底的概念。我们可以将基底视为一个方向，使用不同的测量基底可能产生不同的结果。例如，当测量数千个以相同方式制备的量子比特时，用“垂直”方向的基底测量可能会产生相同数量的+1和-1结果。但是如果用和垂直方向成特定角度的基底测量，可能观测到+1的次数会比-1更多。

实验者首先制备两个由同一量子态描述的量子比特——每个量子比特在相同方向上的测量结果始终保持最大程度的相关，这意味着它们彼此纠缠——并将这两个量子比特分别发送给鲍勃和查理。鲍勃会随机选择两个基底中的一个来测量他的量子比特，而查理总是使用相同的基底测量。与此同时，爱丽丝会抛掷一枚硬币。如果硬币的正面朝上，她不会进行测量，而是询问查理的测量结果，并将其作为自己的测量结果。

但如果硬币反面朝上，爱丽丝将逆转查理在他的实验室中所做的一切。她之所以能这样操作，是因为查理和他的实验室构成了一个与外界完全隔离的量子系统，其中发生过的计算过程完全可逆。这样的逆转操作甚至包括擦除查理曾进行过测量的记忆——这种行为对人类观测者是不可能做到的。然而，要想将系统恢复到初始条件，并提取查理的量子比特在未被测量时的初始状态，唯一的方法就是同时做到撤销观测以及观测者对此的记忆。

一个重要条件是，当爱丽丝的硬币反面朝上时，查理和爱丽丝之间并不会有任何通讯。研究者强调，查理是一个能够像人类一样思考的AI，这个实验只能在“查理同意参与”的情况下进行。怀斯曼说：“查理知道他要做的操作，也知道这些操作可能会被撤销。”逆转测量过程，并将量子比特恢复到初始状态，这对于爱丽丝的下一步行动至关重要：接下来，她会用不同于查理所用的测量基底，来测量查理的量子比特。

爱丽丝、查理和鲍勃会重复整个过程很多次。最终，鲍勃的测量将始终代表他自己的观测行为，但爱丽丝的结果有时来自她自己的测量（如果硬币抛出了反面），有时来自查理的测量（如果硬币抛出了正面）。因此，她得到的最终结果其实是两种测量结果的随机混合，包括外部观测者的测量，以及处于量子叠加态中的观测者所做的测量。这种混合使科学家得以测试这两种类型的观测者是否看到了不同的结果。在实验全部结束时，爱丽丝和鲍勃会对比他们的测量结果。怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里费尔推导出了一个方程，用以计算爱丽丝和鲍勃结果之间的相关性——本质上，它可以用于统计二人测量结果达成一致的频率。

计算相关性的大小很困难；它涉及到确定每个测量基底下预期得到的结果，并遍历所有可能的测量选择，然后将这些值代入一个方程中。最后，这个方程将输出一个数字。如果这个数字超过某个阈值，实验将会违反一个不等式，表明存在问题。具体而言，违反不等式意味着，研究者在这一构想中预先设定的一系列关于现实的假设并不能同时成立。至少其中的某个假设一定是错误的。

科学家建立不可行定理的方式，让大部分物理学家对这样的结果有所预期。“我相信如果真能进行这样的实验，它会违反那些不等式，”杰弗里·巴布（Jeffery Bub）说，他是美国马里兰大学帕克分校的名誉教授。

如果确实如此，物理学家将不得不放弃他们对现实的假设中最不受欢迎的一条。当然，这并不容易，因为每一条假设都很受欢迎，令人难以割弃。物理学家能够自由调整测量设置，宇宙满足定域性并遵守阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的法则（信息不能超光速传播），以及一个人的测量结果对所有其他观测者来说都是客观的，所有这些假设看似都不可侵犯。“我认为如果大多数物理学家被迫思考这个问题，他们会希望坚持所有这些假设，”怀斯曼说。不过更多的物理学家可能准备怀疑友好性假设——即“机器智能拥有真正的思想”，他说。

然而，如果机器能够思考，且违反了不等式，那么必然要放弃一些假设。不同的量子理论或者诠释的拥护者会将不同的假设看作造成这种违反的根源。以物理学家戴维·玻姆（David Bohm）发展的玻姆力学为例。这一理论认为，我们的日常经验背后，隐藏着一种非定域的现实，它允许一个区域的事件瞬间对其他区域的事件造成影响，无论它们之间的距离有多远。这一理论的支持者会放弃爱因斯坦的定域实在假设。在这个新的情境下，宇宙中的一切都在同时对所有其他事物产生影响，无论这种影响有多微弱。宇宙已经在量子力学中展现了一些非定域性，尽管这种特性仍然符合爱因斯坦对定域宇宙的看法。考虑到这种微小的非定域性是实现量子通信和量子密码学的基础，我们几乎无法想象一个极度非定域的宇宙带来的影响。

如果实验结果没有违反不等式，这将是一个更加令人震惊的结果。怀斯曼认为，虽然发生这种情况的可能性非常小，但是我们无法确保它不会发生。“到目前为止，最有趣的事情将是我们尝试进行了这个实验，结果却发现没有违反不等式，”他说，“这将是一项重大的发现。”这说明，物理学定律并不像物理学家认为的那样——这种结果比放弃定理中的某一假设还要震撼。

无论如何，如果维格纳的朋友实验最终得以实施，将会产生非常重要的影响。这就是为什么科学家对这个想法如此感兴趣，尽管实现它所需要的人工智能和计算技术距离我们还很遥远。“这并没有改变我认为它是一个严肃的提议，而不仅仅是空中楼阁的事实，”怀斯曼说，“我真心希望，即使在我去世后，实验物理学家也有动力去尝试实现它。”

如果未来的科学家能完成这一壮举，他们可能会掌握一些有关量子现实本质的难以捉摸的新认知。实验观测可能会像物理学中许多其他事物一样，从被高度重视的地位变得毫无特别之处。哥白尼的革命告诉我们，地球并不是太阳系的中心。如今，宇宙学家知道，我们银河系所处的位置并没有比其它1000亿个星系更特殊。同样地，观测到的事件也可能被发现并不具有客观地位。一切都可能是相对的，直到最微小的尺度。

本文节选自《环球科学》2024年8月刊《当维格纳的朋友变成量子AI》

封面来源：pixabay