防走失，電梯直達
安全島
報人劉亞
東A
來源： 環球科學
作者： 環球科學
20世紀初，物理學熔爐中湧現出許多新的概念，其中最令人困惑的是：量子力學描述的物件可以同時存在多種狀態。例如，一個粒子可以同時存在於多個不同的地方。這一概念得到了數學推導和實驗結果的一致支持。除此之外，粒子若想從這種「疊加」狀態轉變到單一狀態，似乎只能透過某人或者某物觀測它，從而引起疊加狀態的「塌縮」。 這種神奇的現象牽連出一系列疑問 ：觀測者僅僅是發現了塌縮的結果，還是導致了塌縮的發生？塌縮過程是否真的客觀存在？觀測者可以是單個光子嗎？還是必須是一個有意識的人類？
最後一個問題由美籍匈牙利裔物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）在1961年提出。 他為此設計了一個思想實驗，需要他自己和一位假想的朋友合作完成 。在一個完全與外界隔絕的實驗室中，這位朋友將觀測一個處於兩種狀態的疊加態的量子系統。其中，一種狀態會產生一道閃光，另一種狀態則不會。而維格納將在外部觀察整個實驗室。需要註意的一點是，觀察僅僅是對系統所處的狀態進行描述，而不像觀測一樣，涉及主動執行的測量操作。
在維格納的思想實驗中，如果這個實驗室與外界隔絕，它應該會按照量子力學的規律演化（即始終處於疊加態），這將導致維格納的觀察和朋友的觀測出現矛盾。朋友會因觀測致使量子疊加態塌縮，從而看到一個具體的結果（有無閃光），但維格納必須認為朋友與實驗室處在兩種狀態的疊加狀態：一種是系統產生閃光，且朋友看到閃光的狀態；另一種是系統沒有發生閃光，朋友也什麽都沒有看到的狀態。此刻，朋友的狀態很像處於生與死的疊加態的薛定諤的貓。 最終，維格納會詢問朋友看到了什麽，整個系統隨之塌縮到兩種狀態中的一個。由此產生了一個悖論。
在過去的十年中，物理學家提出並實施了一些弱化版本的實驗。當然，他們無法完全按照維格納的設想進行實驗，因為原則上人類很難處於疊加態。但科學家可以用光子代替維格納的朋友來測試這一想法。簡單來說，「觀測」行為其實是環境或者某個外部系統與被觀測系統的相互作用。最簡單的觀測是單個光子與系統之間的相互作用。這種相互作用會使光子轉變為疊加態，攜帶所觀測系統的資訊。這些實驗證明了維格納朋友的悖論真實存在，為了解決它，物理學家可能不得不放棄他們篤信的一些對於客觀現實的信念。但單光子顯然無法和人類觀察者相媲美。
為了全面理解維格納的設想，科學家構想了一個觀測者，使之更接近原始敘述中的「朋友」，盡管這種構想很像科幻創作。澳洲格裏菲斯大學量子動力學中心的主任霍華德·M.維斯曼（Howard M. Wiseman）和同事想象了一個未來世界的「朋友」——量子電腦中能像人類一樣思考的人工智能（AI）。 AI產生思想的計算過程基於量子力學原理，因此它將會處於同時擁有不同想法的疊加狀態（比如，「我看到了閃光」和「我沒有看到閃光」）。 這樣的AI尚未存在，但科學家認為它是可行的。即使這種構想只能在遙遠的未來進行測試，然而，僅僅思考這種類別的觀測者，就可以讓我們理清客觀現實的哪些部份值得懷疑，哪些部份可能要為解決維格納悖論而不得不拋棄。
當然，AI的思考可能永遠無法代替人類，而維格納的悖論也將繼續困擾我們。但 如果我們認同未來可以構建出量子版本的AI，那麽深入研究這一構想可能有助於揭示宇宙的一些基本原理 ，或許能幫助我們理解，如何確定誰或者什麽是真正的觀測者？觀測是否會破壞疊加態？甚至更深層的疑問：測量結果與觀測者的身份是否有關——這可能意味著，我們的世界沒有絕對客觀的事實。
維格納的AI朋友
維格納的AI朋友實驗其實是一種測試所謂「不可行定理」（no-go theorem）的方法，該定理可以檢驗某些關於現實的基本原理是否正確。維斯曼和他在格裏菲斯大學的同事艾歷·卡瓦爾坎蒂（Eric Cavalcanti）以及美國航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的量子人工智能實驗室負責人埃莉諾·裏費爾（Eleanor Rieffel）共同設計並提出了這一構想。 它從一組關於現實的基本假設出發，而所有這些假設看起來都極為合理 。
假設一：我們可以自由選擇測量器材的設定；假設二：所有物理規律都是定域的，這意味著在時空某一區域的操作，不能以超光速的速度影響時空的另一區域；假設三：觀測到的事件絕對客觀，即測量結果對所有人類觀測者而言都是真實的，即使並不為所有人知曉。換句話說，如果你拋擲一枚量子硬幣，得到了兩種可能結果中的一個，比如正面朝上，那麽這一事實對於所有觀測者都成立；對於其他觀測者而言，這枚硬幣不可能處於反面朝上的狀態。
基於這些假設，研究人員在設計方案時考慮了維格納對人類意識的看法 。維格納認為，意識與其他任何事物都不同，因此必須要區別對待。為了在他的思想實驗中強調這一點，他要求我們將實驗室中的一個原子視為「朋友」。當原子和粒子發生相互作用，或者說，測量粒子時，整個系統最終會處於兩種狀態的疊加：一種狀態中粒子發光，原子吸收光進入更高的能階；另一種狀態中粒子不發光，原子保持在最低能階。只有當維格納主動檢查實驗室時，原子才會進入這兩種狀態中的一種。
這一點並不難以接受。 只要原子處在孤立狀態，它確實可以保持疊加態 。但如果「朋友」是一個人類，那麽維格納在實驗室外和朋友在實驗室內的視角就會彼此沖突。此外，朋友可以在維格納感知到這一切之前，就知道是否發生了閃光。「由此可見，具有意識的存在與無生命的測量器材，在量子力學中一定扮演著不同的角色，」維格納寫道。但他的論點真的合理嗎？作為觀測者，人類與原子真的有本質上的不同嗎？
維斯曼、卡瓦爾坎蒂和裏費爾透過增加第四個假設來直面這一問題，他們稱其為「友好性假設」。該假設規定：如果人工智能表現出與人類相當的智能，其思考就和人類一樣真實。友好性假設明確給出了觀測者的定義，「它是一個和我們一樣智能的系統，」卡瓦爾坎蒂說。
經過大量的辯論後，這個團隊最終選擇了「智能」而非「意識」的概念。在他們的討論中，卡瓦爾坎蒂認為智能可以被量化。「但我們無法測試他者是否有意識，即使是人類也不行，更別說電腦了，」他說。因此，如果一個達到人類智能水平的AI被制造出來，那麽它是否具有意識將是不明確的，或許我們仍會否認它具有意識。「但否認它擁有智能要困難得多，」卡瓦爾坎蒂說道。
在詳細描述了所有用到的假設後，研究人員提出，如果使用量子版本的AI，以高精度進行他們設計的維格納朋友實驗，或將引發一個矛盾。 基於不可行定理，出現矛盾意味著至少有一個假設是錯誤的 。物理學家將不得不放棄他們所珍視的關於現實的一些基本信念。
為了證明他們的構想，維斯曼、卡瓦爾坎蒂和裏費爾假設存在一種人類智能水平的強大AI（例如，ChatGPT的未來版本），它可以在量子電腦中執行。他們將這台機器命名為QUALL-E，這個名字來源於OpenAI公司的影像生成AI程式DALL-E，以及動畫電影【機器人總動員】中的機器人WALL-E。
岌岌可危的現實
現在思考一個假設，未來某一天我們真的建成了QUALL-E。這時，QUALL-E將會扮演查理（Charlie）的角色，他坐在兩位人類觀測者，愛麗絲（Alice）和卜（Bob）之間，與二人一同參與類似維格納的朋友的實驗。查理和他的實驗室構成了一個量子力學意義上的孤立系統。而三個人必須彼此相隔足夠遠，以確保任何人關於測量的選擇不會影響到其他兩人的測量結果。
實驗從一個產生量子位元的源開始。 在這種情境下，一個量子位元可以處於+1和-1的疊加狀態 。而量子位元的測量過程，涉及到一種被稱為測量基底的概念。我們可以將基底視為一個方向，使用不同的測量基底可能產生不同的結果。例如，當測量數千個以相同方式制備的量子位元時，用「垂直」方向的基底測量可能會產生相同數量的+1和-1結果。但是如果用和垂直方向成特定角度的基底測量，可能觀測到+1的次數會比-1更多。
實驗者首先制備兩個由同一量子態描述的量子位元——每個量子位元在相同方向上的測量結果始終保持最大程度的相關，這意味著它們彼此纏結——並將這兩個量子比特分別發送給卜和查理。卜會隨機選擇兩個基底中的一個來測量他的量子位元，而查理總是使用相同的基底測量。與此同時，愛麗絲會拋擲一枚硬幣。 如果硬幣的正面朝上，她不會進行測量，而是詢問查理的測量結果，並將其作為自己的測量結果 。
但如果硬幣反面朝上，愛麗絲將逆轉查理在他的實驗室中所做的一切 。她之所以能這樣操作，是因為查理和他的實驗室構成了一個與外界完全隔離的量子系統，其中發生過的計算過程完全可逆。這樣的逆轉操作甚至包括擦除查理曾進行過測量的記憶——這種行為對人類觀測者是不可能做到的。然而，要想將系統恢復到初始條件，並提取查理的量子位元在未被測量時的初始狀態，唯一的方法就是同時做到撤銷觀測以及觀測者對此的記憶。
一個重要條件是，當愛麗絲的硬幣反面朝上時，查理和愛麗絲之間並不會有任何通訊。研究者強調，查理是一個能夠像人類一樣思考的AI，這個實驗只能在「查理同意參與」的情況下進行。維斯曼說：「查理知道他要做的操作，也知道這些操作可能會被撤銷。」 逆轉測量過程，並將量子位元恢復到初始狀態，這對於愛麗絲的下一步行動至關重要 ：接下來，她會用不同於查理所用的測量基底，來測量查理的量子位元。
愛麗絲、查理和卜會重復整個過程很多次。最終，卜的測量將始終代表他自己的觀測行為，但愛麗絲的結果有時來自她自己的測量（如果硬幣投擲了反面），有時來自查理的測量（如果硬幣投擲了正面）。因此，她得到的最終結果其實是兩種測量結果的隨機混合，包括外部觀測者的測量，以及處於量子疊加態中的觀測者所做的測量。這種混合使科學家得以測試這兩種類別的觀測者是否看到了不同的結果。在實驗全部結束時，愛麗絲和卜會對比他們的測量結果。維斯曼、卡瓦爾坎蒂和裏費爾推匯出了一個方程式，用以計算愛麗絲和卜結果之間的相關性——本質上，它可以用於統計二人測量結果達成一致的頻率。
計算相關性的大小很困難 ；它涉及到確定每個測量基底下預期得到的結果，並遍歷所有可能的測量選擇，然後將這些值代入一個方程式中。最後，這個方程式將輸出一個數碼。如果這個數碼超過某個閾值，實驗將會違反一個不等式，表明存在問題。具體而言，違反不等式意味著，研究者在這一構想中預先設定的一系列關於現實的假設並不能同時成立。至少其中的某個假設一定是錯誤的。
科學家建立不可行定理的方式，讓大部份物理學家對這樣的結果有所預期。「我相信如果真能進行這樣的實驗，它會違反那些不等式，」謝菲·巴布（Jeffery Bub）說，他是美國馬里蘭大學帕克分校的名譽教授。
如果確實如此，物理學家將不得不放棄他們對現實的假設中最不受歡迎的一條 。當然，這並不容易，因為每一條假設都很受歡迎，令人難以割棄。物理學家能夠自由調整測量設定，宇宙滿足定域性並遵守艾拔·愛因斯坦（Albert Einstein）的法則（資訊不能超光速傳播），以及一個人的測量結果對所有其他觀測者來說都是客觀的，所有這些假設看似都不可侵犯。「我認為如果大多數物理學家被迫思考這個問題，他們會希望堅持所有這些假設，」維斯曼說。不過更多的物理學家可能準備懷疑友好性假設——即「機器智能擁有真正的思想」，他說。
然而， 如果機器能夠思考，且違反了不等式，那麽必然要放棄一些假設 。不同的量子理論或者詮釋的擁護者會將不同的假設看作造成這種違反的根源。以物理學家戴維·玻姆（David Bohm）發展的玻姆力學為例。這一理論認為，我們的日常經驗背後，隱藏著一種非定域的現實，它允許一個區域的事件瞬間對其他區域的事件造成影響，無論它們之間的距離有多遠。這一理論的支持者會放棄愛因斯坦的定域實在假設。在這個新的情境下，宇宙中的一切都在同時對所有其他事物產生影響，無論這種影響有多微弱。宇宙已經在量子力學中展現了一些非定域性，盡管這種特性仍然符合愛因斯坦對定域宇宙的看法。考慮到這種微小的非定域性是實作量子通訊和量子密碼學的基礎，我們幾乎無法想象一個極度非定域的宇宙帶來的影響。
如果實驗結果沒有違反不等式，這將是一個更加令人震驚的結果 。維斯曼認為，雖然發生這種情況的可能性非常小，但是我們無法確保它不會發生。「到目前為止，最有趣的事情將是我們嘗試進行了這個實驗，結果卻發現沒有違反不等式，」他說，「這將是一項重大的發現。」這說明，物理學定律並不像物理學家認為的那樣——這種結果比放棄定理中的某一假設還要震撼。
無論如何，如果維格納的朋友實驗最終得以實施，將會產生非常重要的影響。這就是為什麽科學家對這個想法如此感興趣，盡管實作它所需要的人工智能和計算技術距離我們還很遙遠。「這並沒有改變我認為它是一個嚴肅的提議，而不僅僅是空中樓閣的事實，」維斯曼說，「我真心希望，即使在我去世後，實驗物理學家也有動力去嘗試實作它。」
如果未來的科學家能完成這一壯舉，他們可能會掌握一些有關量子現實本質的難以捉摸的新認知 。實驗觀測可能會像物理學中許多其他事物一樣，從被高度重視的地位變得毫無特別之處。哥白尼的革命告訴我們，地球並不是太陽系的中心。如今，宇宙學家知道，我們銀河系所處的位置並沒有比其它1000億個星系更特殊。同樣地，觀測到的事件也可能被發現並不具有客觀地位。一切都可能是相對的，直到最微小的尺度。
