Квантовый процессор Google осознает себя? Почему квантмех и свобода воли (не) связаны, и почему это неочевидно

Недавно вышел препринт с забавным названием “Есть ли у роботов с квантовым процессором свобода ослушаться?”. Идея статьи в том, что квантовый процессор — возможно, достаточно сложная система, чтобы внутри нее возникло сознание, обладающее свободой воли (да, звучит как научная фантастика). 

Обычно про связь квантовой физики и сознания пишут всякие псевдоученые, и основным посылом там является что-то типа “мышление формирует реальность”, что следует просто из неправильной интерпретации проблемы измерения. В общем, я бы проигнорировала эту статью, если бы одним из авторов не был основатель квантовой лабы Google, и если бы статья не была про, собственно, квантовый процессор Google. 

К тому же, несмотря на то, что мне кажется, что квантовая механика не имеет отношения к свободе воли, я думаю, что следует искать аргументы против своей позиции. Это важно, чтобы иметь возможность поменять свое мнение в случае, если я неправа. Поэтому я решила разобраться подробнее, что же имеется в виду в этой статье.

Дисклеймер: Я считаю, что информация о том, есть ли у нас свобода воли, практически не должна влиять на наши действия. Мне интересен вопрос о свободе воли просто из любопытства, без практической ценности

Как квантовая механика связана со свободой воли?

Обычно под свободой воли подразумевается возможность сделать выбор независимо от обстоятельств. Другими словами, это значит, что в одних и тех же обстоятельствах можно принять разные решения. В этой статье я буду использовать именно такое определение (существуют и менее мейнстримные определения, такие как компатибилизм, но я не буду их затрагивать). С точки зрения внешнего наблюдателя такая свобода воли означает, что, зная все внешние условия, невозможно предсказать, как будет вести себя субъект.

Что это значит с практической точки зрения?

В качестве небольшого отступления рассмотрим практическую сторону вопроса: есть ли у такой свободы воли какие-то проявления во внешнем мире? Оказывается, что наличие свободы воли запрещает возможность копирования сознания на любой физический носитель. Ведь если мы сделали копию сознания, то (по определению) эта копия принимает точно те же решения, что и оригинал. Значит, с помощью такой копии мы можем предсказать, как будет вести себя оригинальное сознание во всех ситуациях. А это противоречит определению свободы воли.

Естественно, невозможность предсказания поведения — не достаточное условие наличия свободы воли. Легко представить себе ситуацию, когда нельзя предсказать поведение системы, но свободой воли она не обладает. Например, вряд ли свободой воли обладают электроны, точную координату которых мы не можем измерить из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Но точно верно обратное — если система обладает свободой воли, то мы не можем предсказать ее поведение, то есть это является необходимым условием.

В классической физике это условие не выполняется никогда — все ее законы детерминистичны — это значит, что из начальных условий системы можно предсказать ее состояние в любой следующий момент времени. Поэтому свободу воли часто пытаются связать с квантовой механикой — единственной на данный момент физической теорией, которая может быть недетерминистичной. Подробнее про квантовую механику и детерминизм у меня есть отдельная статья.

Предыдущие попытки связать квантмех с сознанием

Итак, если у кого-либо во вселенной и есть свобода воли, то она не может быть вызвана никакими другими известными законами физики, кроме квантовой механики. В другую сторону это не работает: из квантовой механики автоматически не следует наличие свободы воли. Теперь возникает следующий вопрос: может ли квантовая механика обеспечивать свободу воли?

Вероятно, обычной квантовомеханической неопределенности здесь недостаточно: даже если квантмех — действительно недетерминистическая теория и состояние системы в некоторые моменты времени является случайным и не зависит от предыстории, то, если в наших решениях как-то задействована квантовая механика, она лишь должна добавлять случайности в наши выборы. Способность делать выбор самостоятельно отсюда никак не следует.

Может быть, можно связать со свободой воли не принцип неопределенности, а коллапс волновой функции? Коллапс в квантовой механике тесно связан с проблемой измерения. Он используется для объяснения, как из состояния суперпозиции (из которого нельзя предсказать результат измерения, но можно — вероятности различных результатов) получается наблюдаемое измеренное состояние. Процесс, когда суперпозиция “ломается” вследствие измерения, называется коллапсом. У научного сообщества нет единого мнения о том, в какой именно момент происходит этот коллапс, как его описывать, и происходит ли он вообще, что открывает пространство для спекуляций.

Например, сознание и коллапс волновой функции пытался связать Пенроуз. Он  считает, что в мозге возможны квантовые вычисления и что коллапс обеспечивается сознанием. Сейчас эти идеи не воспринимаются всерьез большинством ученых, т.к. содержат много неоправданных допущений, противоречат существующим нейробиологическим теориям и, более того, частично опровергаются экспериментом. Кроме того, идея о том, что коллапс невозможен без участия осознающих субъектов, приводит к абсурдному выводу (цитирую Скотта Ааронсона): 

Квантовое состояние вселенной менялось во времени линейно, в соответствии с уравнением Шредингера, в течение миллиардов лет, пока не появились первые наблюдатели (люди? обезьяны? пришельцы?) и посмотрели вокруг — и в этот момент состояние взяло и внезапно сколлапсировало!

Таким образом, найти понятные и логичные способы связать квантовую механику со свободой воли не так-то легко.

Квантовый процессор и Найтовская неопределенность

Но вернемся к нашему квантовому процессору. Как все же авторы статьи делают вывод, что в нем возможна свобода воли? 

Центральным понятием их препринта является Найтовская неопределенность (Knightian uncertainty) — я подробнее писала про нее в отдельной статье. Идею коротко можно сформулировать так: есть квантовые системы, состояние которых мы принципиально не можем измерить, и поведение которых не можем предсказать, даже в терминах вероятностей — это и называется Найтовской неопределенностью. Из ее наличия делается вывод о том, что система может обладать свободой воли (важно подчеркнуть, что авторы не утверждают, что свобода воли в этом случае точно существует, а лишь говорят о том, что это возможно). Как именно делается такой вывод — разберемся в следующем разделе, а пока просто попробуем понять, откуда она берется в квантовом процессоре.

Дело в том, что Google уже умеет делать системы, в которых около 100 кубитов (т.е. элементарных вычислительных ячеек – в данном случае особых систем из сверхпроводников). Такая система является достаточно большой, чтобы у нас не хватило всей памяти на Земле для того, чтобы записать ее состояние. А если мы не можем его записать, то и предсказать результаты измерений мы тоже не можем.

Рассмотрим подробнее, как так получается. Если мы привели процессор в некоторое состояние, которое определяется квантовыми флуктуациями, то, чтобы его измерить, нужно записать волновую функцию системы из 100 связанных кубитов, которая описывается 2¹⁰⁰ комплексными числами. Чтобы записать эти числа с точностью хотя бы 2 знаков после запятой, на каждое число понадобится около 20 бит. Тогда для записи всех этих чисел понадобится примерно 3*10⁹ Зеттабайт. Это примерно в 47 миллионов раз больше, чем все данные, сгенерированные на планете Земля в 2020 году. А если кубитов будет уже не 100, а 300, и мы будем считать, что способны записать одно комплексное число в любой атом, то атомов во вселенной не хватит, чтобы записать состояние такой системы.

Найтовская неопределенность и свобода воли

Итак, резюмируем промежуточные выводы: для свободы воли необходима квантовая механика, но неясно, как квантовая механика может обеспечивать свободу воли. Google утверждает, что их процессор может обладать свободой воли из-за Найтовской неопределенности, но не объясняет, как именно свобода из этой неопределенности следует. Соответственно, возникает вопрос: как одно следует из другого? 

Более того, если свобода воли следует из Найтовской неопределенности, то мы должны наблюдать что-то похожее на нее и в нашем мозге. Ведь изначально свобода воли у нас ассоциируется именно со способностью людей принимать решения. Если в нашем мозге нет никакой Найтовской неопределенности, то “свобода воли” квантового процессора вряд ли имеет что-то общее с тем, что мы обычно называем этим понятием. 

Оказывается, есть большая статья на эту тему. Ее автор, Скотт Ааронсон, считает, что Найтовская неопределенность в мозге физически возможна, и рассуждает на тему того, как она может приводить к свободе воли. Он считает (в некотором смысле, постулирует), что для свободы воли необходимо отсутствие возможности предсказывать поведение субъекта даже вероятностно.

Важно отметить, что он не утверждает, что все его рассуждения действительно верны, а лишь рассматривает, как свобода воли могла бы быть устроена. Его аргументы местами выглядят фантастически, и первым делом хочется с ними не согласиться. Но, если вдуматься, они действительно являются корректными в том смысле, что не противоречат известным физическим законам. Я коротко приведу здесь цепочку рассуждений Скотта Ааронсона:

• Где в природе может возникать Найтовская неопределенность?

Ею может обладать волновая функция вселенной в момент большого взрыва. Дело в том, что если у нас есть только одна копия системы, то в принципе невозможно измерить все ее параметры, потому что измерения разрушат исходное состояние. Для измерения всех параметров волновой функции необходимо измерить систему много раз, а для этого нужно уметь создавать ее копии (и физики успешно делают это, например, с фотонами). Очевидно, что копии волновой функции в момент большой взырва мы создавать не умеем. Поэтому, даже если окажется, что это простая функция с небольшим числом параметров, у нас нет возможности узнать, чему равны их значения. Отсюда следует Найтовская неопределенность.

• На что Найтовская неопределенность, обусловленная начальной волновой функцией вселенной, может влиять прямо сейчас?

Мы до сих пор наблюдаем реликтовое излучение — это фотоны, излучившиеся вследствие процессов, последовавших за большим взрывом. Эти фотоны легко задетектировать. Если у вселенной была начальная волновая функция, то она вполне могла повлиять на распределение фотонов реликтового излучения.

• Как это связано с мозгом?

Некоторые процессы в мозге чувствительны к небольшим изменениям окружающих условий. В частности, такой чувствительностью обладают натриевые каналы, открытие и закрытие которых отвечает за то, активируется ни нейрон. В том числе натриевые каналы могут быть чувствительны к квантовым флуктуациям. Например, это может происходить так: фотон (играющий роль квантовой флуктуации) попадает в мозг, где поглощается электроном, немного меняющим траектории нескольких молекул около натриевого канала, что запускает цепь событий, заставляющую канал открыться, что в свою очередь ведет к активации нейрона. Источником такого фотона может быть что угодно, в том числе реликтовое излучение.

Рассмотрим подробнее, что из этого следует. Допустим, мы каким-то образом узнали волновую функцию начала вселенной и получили способность ее менять. Пусть при этом мы хотим изменить одно конкретное решение конкретного человека, причем так, чтобы ничего кроме этого не изменилось. Какие изменения нам следует сделать в начальной волновой функции для достижения этой цели? Исходя из наших предыдущих рассуждений, оказывается, может быть достаточным изменить энергию одного фотона реликтового излучения — такого, который затем попадет прямо в мозг.

• Как отсюда следует свобода воли?

Все фундаментальные законы физики (например, квантовая механика и общая теория относительности) обратимы относительно времени. Эта фраза означает следующее: если мы любой физический процесс снимем на видео и прокрутим его задом наперед, то такой процесс также будет описываться известными физическими законами. Например, если посмотреть на поглощения фотона задом-наперед, то получится испускание фотона. 

Про обратимость квантовой механики во времени

Можно возразить, что квантовая механика не обратима относительно времени, потому что процесс измерения связан с коллапсом волновой функции и необратим. На это можно ответить следующим образом: в современной картине мира измерение связано с процессом декогеренции, которая описывается обратимым во времени уравнением Шредингера (если измеряемую систему расширить до “система + измерительный прибор”).

Из этого следует, нет причин (кроме наших субъективных ощущений) считать, что время течет из прошлого в будущее, а не наоборот. Такую картину мира философы называют “блок-вселенной” (Block Universe) — в ней вселенную можно представить как 4-мерное пространственно-временное многообразие, “замерзшее” во времени. Тогда причинно-следственные связи приобретают другое значение. Теперь предложение “Я съел яблоко, потому что к этому привело предыдущее микросостояние вселенной” имеет столько же смысла, как “Я съел яблоко, потому что захотел”. Более того, фраза “Я съел яблоко, потому что к этому привело будущее микросостояние вселенной” также имеет смысл! 

Другими словами, ничего не мешает нам направить причинно-следственные связи в другую сторону (например, от нашего текущего психологического состояния к состоянию вселенной в момент большого взрыва), и это все еще не будет противоречить законам физики. Значит, мы можем сказать, что наш мозг поглотил фотон реликтового излучения минуту назад, потому что сейчас мы решили съесть яблоко. 

Такие рассуждения могут показаться странными (особенно тем, кто знаком с термодинамикой), потому что мы привыкли к тому, что время течет (и причинно-следственные связи направлены) в ту сторону, в которую возрастает энтропия. Например, нам легко понять, что видео с разбивающимся кувшином воспроизводится в “правильную” сторону, а видео с кувшином, собирающимся из осколков — в обратную. В этом примере первый процесс сопровождается возрастанием энтропии, а второй — убыванием. Но стоит заметить, что понятие энтропии тесно связано с понятием вероятностей. На самом деле процесс, где кувшин собирается из осколков, также возможен, просто сильно менее вероятен, ведь есть много способов разбить кувшин, а вот собрать его из осколков — только один. То есть, возрастание энтропии — это некоторое “эмерджентное” свойство, не следующее напрямую из фундаментальных законов природы, которые сами по себе остаются обратимыми во времени.

В любом случае, даже если принять, что время “объективно” течет вперед для процессов с возрастающей энтропией, ничего не мешает нам направить причинно-следственные связи в другую сторону для тех процессов, в которых энтропия не возрастает — а такие в природе тоже есть. Фотон реликтового излучения, излученный при большом взрыве и направляющийся к нам, как раз является таким процессом.

Таким образом, цепочка размышлений Скотта Ааронсона выглядит так. Можно предположить, что при принятии решения мы испускаем мозгом фотон реликтового излучения назад во времени, и наше решение сделать это нельзя предсказать никаким образом, т.к. наличие такого фотона обеспечивается волновой функцией вселенной в момент большого взрыва, а узнать, что это за состояние, мы никак не можем. 

Почему все вряд ли так работает

Я надеюсь, что читатели получили удовольствие от попыток представить, как мы принимаем решения, испуская фотоны в прошлое (по крайней мере мне очень нравится осмысливать такие мозговыносящие гипотезы). Но теперь вернемся в реальность и подумаем, почему все скорее всего так не работает.

Для начала заметим, что в этой логической цепочке очень много неоправданных допущений. Вот только некоторые из них:

1. Начальное состояние вселенной можно описать волновой функцией. На самом деле это утверждение не следует из современной космологии. Оно может быть как верным, так и неверным.

2. Квантовые флуктуации играют значимую роль в активации нейронов. Хоть это утверждение и не противоречит современным представлениям, опять же никто не доказал, что это правда так.

3. Активации одного нейрона достаточно, чтобы принять решение. Многие современные нейробиологические модели рассматривают кодирование информации в кластерах нейронов. Не факт, что случайная активация одного нейрона может на что-то повлиять.

4. Все события, которые мы ассоциируем со свободой воли, связаны с поглощением фотона реликтового излучения. Опять же, нет никаких оснований считать, что это так работает.

Естественно, это не полный список вопросов, которые возникают к гипотезе о связи Найтовской неопределенности и свободы воли. Стоит отметить, что на многие возражения, которые могут прийти в голову, автор уже ответил в оригинальной статье. Но если вспомнить, что автор не утверждает, что все действительно устроено именно так, а просто стремится показать, что наличие свободы воли физически возможно, то представленные в статье аргументы мне кажутся достаточно сильными. Действительно все, что в ней написано, не противоречит законам физики. Более того, многие утверждения автора фальсифицируемы (т.е. потенциально проверяемы экспериментом) — например, утверждение о том, что квантовые флуктуации влияют на активацию нейронов.

Заключение

Если мы придерживаемся научной картины мира, для объяснения явлений следует выбирать наиболее простые теории — это называется Бритвой Оккама. С моей точки зрения, наиболее простым объяснением является отсутствие связи между Найтовской неопределенностью и свободой воли, и, за неимением других механизмов, обеспечивающих свободу воли, и отсутствие свободы воли. 

Следовательно, раз Найтовская неопределенность скорее всего не имеет отношения к свободе воли, то и квантовый процессор Google ей скорее всего не обладает. Значит, пока можно не бояться восстания машин в лице 100-кубитного процессора.

Несмотря на то, что я не согласна с авторами статей, которые разобрала, я получила искреннее удовольствие в процессе: мне нравятся моменты, когда я могу немного переосмыслить свою картину мира. Надеюсь, что вы тоже получили такое удовольствие в процессе чтения этого текста.