摘要：长期以来，人们一直认为，意识起源于量子怪异性这一观点有点奇怪。批评者认为，量子意识的思想（其中最著名的一个假设是，当大脑中的量子叠加崩溃时，体验的时刻就会出现）只不过是将一个谜团与另一个谜团融合在一起而已。此外，证据在哪里呢？然而，有少数人坚持认为我们应该认真
谷歌量子人工智能实验室负责人 Hartmut Neven 希望将我们的大脑与量子处理器结合起来，以测试意识是否涉及量子现象。
托马斯·鲁顿
2024 年 12 月 30 日
玛塔·萨弗拉
长期以来，人们一直认为，意识起源于量子怪异性这一观点有点奇怪。批评者认为，量子意识的思想（其中最著名的一个假设是，当大脑中的量子叠加崩溃时，体验的时刻就会出现）只不过是将一个谜团与另一个谜团融合在一起而已。此外，证据在哪里呢？然而，有少数人坚持认为我们应该认真对待这个想法。
谷歌量子人工智能实验室负责人哈特穆特·内文 (Hartmut Neven)就是其中之一。他最初接受过物理学家和计算神经科学家的培训，后来开创了计算机视觉——一种复制人类理解视觉数据能力的人工智能。后来，内文创立了谷歌量子人工智能实验室，该实验室在 2019 年成为第一个声称其量子计算机解决了传统计算机上无法完成的计算的实验室，这一里程碑被称为量子霸权。2024 年 12 月，他的团队宣布其新量子处理器 Willow 又向前迈进了一步，他们声称这款处理器比以前的芯片更强大、更可靠。
但奈文也对精神和物质之间的关系感兴趣。现在，在量子计算机的一个无人预见的用例中，他认为它们可以用来测试量子意识的概念。奈文向《新科学家》杂志讲述了他相信我们生活在一个多元宇宙中；为什么罗杰·彭罗斯的量子意识理论值得研究，尽管可能还有新花样；以及我们如何通过将量子计算机与人类大脑纠缠来测试这些想法。
托马斯·鲁顿：在量子计算的前沿工作如何改变了您对现实的看法？
Hartmut Neven：我们最近在名为 Willow 的新量子处理器上进行了一项计算，即使是最好的传统超级计算机也需要花费惊人的时间才能完成：10 25年。这个令人难以置信的数字超出了物理学中已知的时间尺度，远远超过了宇宙的年龄。对我来说，这个结果表明量子处理器正在利用比我们的宇宙更大的东西，这让人们相信它们的计算发生在许多平行宇宙中。
多年来，我逐渐意识到，对量子力学方程最直接的解读就是，我们确实生活在一个多元宇宙中：每一个物体，包括我自己或整个宇宙，都同时存在于多种形态中。这种对现实的看法深深地影响了我每天的人生观。
以什么方式？
我描述世界的一般立场是物理主义，即我们所见证的每一个现象都可以解释为物质的表现。但我们唯一确定存在的现象是有意识的体验。一切都始于体验；没有思想，一切都不重要。
那么，作为物理学家，你的任务就是确定意识的轨迹。我认为，在这方面，量子力学比经典力学具有独特的优势——它与多元宇宙图景直接相关。
如果多元宇宙图景正确，那么就会有大量平行世界。但目前，你和我共存于多元宇宙的一个确定的经典分支中。那么为什么我们见证了这种配置而不是其他配置呢？这是一个将意识置于你的物理主义理论中的机会。一个有吸引力的猜想是，意识是我们体验到一种独特的经典现实从量子物理学告诉我们的众多现实中涌现出来的方式。
意识和量子物理学似乎是两码事。如何将两者融为一体？
我是罗杰·彭罗斯的弟子，他在 1989 年出版的《皇帝的新脑》一书中提出了这样一种观点，即意识涉及一种处于量子叠加状态的物质状态，其中量子对象同时存在于多种配置中。当叠加在“测量”过程中崩溃时，会从许多可能的分支中选择一个经典分支，从而实现一个意识时刻。我一直认为这很美妙，因为这样一来，感质——特定的主观体验，如玫瑰的红色或音乐唤起的感觉——就可以自然地编码到[叠加]崩溃的状态中。
有什么方法可以检验意识的量子起源这一观点吗？
麻醉实验已经带来了一些见解。麻醉剂可以逆转你的意识。你仍在呼吸，你的心脏仍在跳动，但你无法再报告意识体验。然而，尽管麻醉剂是医学上的天赐之物，并且已使用近 180 年，但我们仍然不知道它们是如何起作用的。没有人理解它。
有趣的是，最简单的麻醉剂是氙气等惰性气体。更奇怪的是，有报道称，氙气的不同同位素（每种同位素的质量和量子特性略有不同）具有不同的麻醉效力。如果可以证实这一点，那么如果不考虑量子力学，就无法解释这一点。我觉得这是一个确凿的证据。
量子计算机（如图所示）将信息编码为量子比特
SZILAGYI/EPA-EFE/快门库存
您在最近的一篇论文中提出了另一种实验。能否向我们详细介绍一下？
首先，让我们将大脑想象成包含量子比特，量子比特是量子计算中的基本信息单位。我认为这是相当无可争议的。一些研究人员——比如我们的同事斯图尔特·哈默罗夫（亚利桑那大学意识研究中心主任）——认为，神经元中称为微管的大型蛋白质结构充当量子比特。但任何生物物理学家或生物化学家都会说，至少在具有电子云的分子层面上，我们的大脑中存在量子态——因此可以说我们的大脑中有量子比特。
那么假设我们的大脑中有“N”个量子比特，外部量子计算机中有“M”个量子比特，字母代表一定数量的量子比特。如果一个人可以将自己的大脑与这台量子计算机纠缠在一起，他们就可以创建一个涉及“N+M”个量子比特的扩展量子叠加。如果我们现在操纵这个扩展叠加使其崩溃，那么参与这项实验的人应该会将其报告为更丰富的体验。这是因为在他们的正常意识体验中，他们通常需要“N”位来描述体验，但现在他们需要“N+M”位来描述它。
我将其称为“扩展协议”，因为它可以让我们在空间、时间和复杂性上扩展意识。事实上，如果我们能找到一种方法来建立这个实验，并且有人报告了这些更丰富的体验，那么这将支持我们的解释，即量子过程产生意识。
您想象体验这种扩展的意识会是什么感觉？
我们能意识到的每秒比特数并不多。许多你可能意识到的事情你却没有意识到。假设詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄了一张美丽的照片，我们用它制作了屏幕保护程序并欣赏它。我们无法有意识地看到流入詹姆斯·韦伯望远镜的无数光子中的所有信息。这是我们无法拥有的体验。
因此，原则上，我们可以产生比我们通常使用默认生物大脑所获得的更丰富的体验。一些非凡的意识状态，例如在迷幻药下体验到的意识状态，可能就是你在这里可以期待的预览。将一个人的大脑与量子计算机纠缠在一起可能会解锁更高层次的意识、创造力和理解力。
原则上，我们可以创造比通常更丰富的体验
这如何帮助你理解精神和物质之间的关系？
我们可以使用这个实验装置来确定哪些物质的量子态与不同的感质相关。我们可以通过询问大脑与量子计算机纠缠在一起的人他们感觉的具体特征并测量与这些感觉相关的量子比特来做到这一点。
考虑这个实验概念如何改变了您对意识时刻起源的看法？
当我开始思考这个实验程序时，我意识到，哦，等一下，罗杰的想法其实有问题。如果我测量量子计算机中的一个量子比特，叠加态就会坍缩为一种状态，这种状态会立即与与计算机纠缠的人的经历相辅相成。如果这种情况发生，那么我就可以利用这种纠缠——量子力学中一种独特的现象，其中两个或多个粒子本质上相互联系——作为以比光更快的速度传输信息的渠道。
因此，当罗杰将意识时刻与叠加态的崩塌联系起来时，超光速通信就成为可能，而超光速通信违背了物理学的基本规则。我不喜欢这种说法——在这一点上，我是更正统的物理学家。但如果我们说意识时刻是在叠加态形成时而不是叠加态崩塌时经历的，那么超光速通信的挑战就不复存在了。
在我们的实验装置中，我们可以测试这些想法中的哪一个是正确的。在彭罗斯的版本中，当叠加态崩溃时，人们会感受到更丰富的体验。然而，如果意识时刻发生在叠加态形成时，那么一旦某人大脑中的量子比特与量子计算机的量子比特纠缠在一起，人们就会感受到更丰富的体验。
也许还有可能检验量子态产生意识的想法
保罗·卡纳萨尔/盖蒂图片社
颠覆彭罗斯的想法还能帮助解决哪些问题？
纠缠在意识时刻形成中的作用自然地解释了我们对现实的统一体验。这是神经科学中一个众所周知的问题，称为绑定问题。
当我们看到一个物体，比如一张脸时，大脑初级视觉皮层中的神经元会响应某些特征（比如特定方向的边缘）而激活，从而形成一张脸的粗略轮廓。然后，这种大脑活动会传播到更高的视觉皮层，在那里呈现更丰富的面部特征。我们的体验是通过大脑传播的，而不是单个神经元激活来代表你的祖母。我们整体地感知。因此，我们的体验与物质大脑的结构之间存在脱节。这被称为绑定问题。
我们可以通过提出量子比特之间的纠缠创造了统一的意识体验来解决这个问题。纠缠是物理学中唯一真正的结合剂，因为它允许创建整体状态，其中各个组件从根本上相互连接。因此，纠缠为绑定问题提供了一个优雅的解决方案。
利用量子计算机来控制人类思维是否具有现实可行性？
目前，扩展方案在技术上仍然非常具有挑战性。但我们可以做一个更简单的热身实验。
近年来，研究人员已经熟练地培育出称为脑器官的人类脑细胞小球。我们可以使用通过脑器官耦合的两个量子比特进行贝尔测试——一种检查两个系统是否纠缠的量子实验。如果我们发现需要纠缠来解释这个贝尔测试的结果，那么我们可以得出结论，脑器官至少在某种程度上值得量子力学描述。
也许我所谈论的所有想法最终都是错误的。但如果它有效，那么你可能会问，如何最好地实现量子耦合？你想使用光子吗？你想使用自旋——原子核或电子所具有的量子特性？或者也许你想使用微管中的集体模式。
还有哪些实际障碍？
脑组织和量子处理器之间建立连贯连接的一个关键要求是，它应该是非侵入性的，以确保安全性和易用性。这可能涉及使用量子传感技术间接探测和与大脑的量子态交互，可能通过核磁共振（MRI 的基础）等方法。但目前，我们的研究还处于早期阶段，无法进一步详细说明这一点。
你们的圈子里是如何接受这些关于意识量子本质的想法的？
这是一种后天习得的品味。我经常感到惊讶，在科学家中，意识的本质被认为是一个不应该问或参与的问题。而我认为，看，当我牙痛的时候，这种体验非常真实，比大爆炸或其他科学构想更真实。
科学哲学家托马斯·库恩在他的著作《科学革命的结构》中说，在“常规科学”开始之前，有一个“前范式”阶段，我们仍在寻找理解现象的正确框架。我相信意识研究已经到达了这个转折点。我们对意识产生原因的推测和对如何测试意识的建议表明，意识的本质可以用实验科学的方法来研究。
Can we use quantum computers to test a radical consciousness theory?
Hartmut Neven, who leads Google's Quantum AI lab, wants to entangle our brains with quantum processors to test the idea that consciousness involves quantum phenomena
By Thomas Lewton
30 December 2024
Marta Zafra
The suggestion that consciousness has its origins in quantum weirdness has long been viewed as a bit, well, weird. Critics argue that ideas of quantum consciousness, the most famous of which posits that moments of experience arise as quantum superpositions in the brain collapse, do little more than merge one mystery with another. Besides, where is the evidence? And yet there is a vocal minority who insist we should take the idea seriously.
Hartmut Neven, who leads Google’s Quantum Artificial Intelligence Lab, is among them. He originally trained as a physicist and computational neuroscientist before pioneering computer vision – a type of AI that replicates the human ability to understand visual data. Later, Neven founded Google Quantum AI, which in 2019 became the first lab to claim its quantum computers solved calculations that are impossible on a classical computer, a milestone known as quantum supremacy. In December 2024, his team announced another step forward with its new quantum processor, Willow, which it claims is more powerful and reliable than previous chips.
But Neven is also interested in the relationship between mind and matter. And now, in a use case for quantum computers that no one saw coming, he reckons they could be deployed to put the idea of quantum consciousness to the test. Neven spoke to New Scientist about his belief that we live in a multiverse; why Roger Penrose’s theory of quantum consciousness is worth pursuing, albeit possibly with a new twist; and how we can test such ideas by entangling quantum computers with human brains.
Thomas Lewton: How has working at the forefront of quantum computing altered your view of what reality is?
Hartmut Neven: We recently ran a computation on our new quantum processor, named Willow, that would take the best classical supercomputer an astounding amount of time to complete: 1025 years. This mind-boggling number exceeds known timescales in physics and vastly exceeds the age of the universe. To me, this result suggests that quantum processors are tapping into something larger than just our universe, lending credence to the notion that their computation occurs in many parallel universes.
Over the years, I’ve come to appreciate that the most straightforward reading of the equations of quantum mechanics is that, indeed, we live in a multiverse: that every object, including myself or the cosmos at large, exists in many configurations simultaneously. This view of reality has profoundly shaped my everyday outlook on life.
In what way?
My general stance when describing the world is physicalism, which states that every phenomenon we witness can be explained as a manifestation of matter. But the only phenomenon that we are certain exists is conscious experience. Everything starts from experience; without mind, nothing matters.
So then the task you have as a physicalist is to identify the locus of consciousness. Here, I think, quantum mechanics has a unique advantage over classical mechanics – and it is directly related to the multiverse picture.
If the multiverse picture is correct, then there are a vast number of parallel worlds. But right now, you and I coexist in a definite, classical branch of the multiverse. So why do we witness this configuration and not the other ones? This is an opportunity to place consciousness in your physicalist theory. An attractive conjecture is that consciousness is how we experience the emergence of a unique classical reality out of the many that quantum physics tells us there are.
Consciousness seems like a very different kettle of fish to quantum physics. How can one be accommodated into the other?
I’m a disciple of Roger Penrose, who, in his 1989 book The Emperor’s New Mind, put forth the idea that consciousness involves a state of matter in quantum superposition, where a quantum object exists in multiple configurations at the same time. When the superposition collapses during a “measurement” process, one classical branch gets selected out of many possible branches and this implements a conscious moment. I always thought this was beautiful because then qualia – specific subjective experiences such as the redness of a rose or the feelings that music evokes – can naturally be encoded into the state that [the superposition] collapses into.
Is there any way to test the idea that consciousness is quantum in origin?
There are already some insights coming from experiments with anaesthesia. Anaesthetics reversibly knock out your consciousness. You are still breathing, your heart is still pumping, but you can’t report conscious experiences anymore. However, even though anaesthetics are a medical godsend and in use for almost 180 years, we still have no clue how they work. Nobody understands it.
Interestingly, the simplest anaesthetics are inert gases like xenon. Even more peculiarly, there are reports that different isotopes of xenon, each of which has slight differences in mass and a quantum property called spin, have different anaesthetic potency. If that can be confirmed, then you can’t possibly explain this without considering quantum mechanics. I feel this is a smoking gun experiment.
Quantum computers, like the one shown here, encode information in qubits
SZILAGYI/EPA-EFE/Shutterstock
And you have proposed another kind of experiment in a recent paper. Can you tell us a bit more about that?
Let’s first picture our brain as containing qubits, which are the basic units of information in quantum computing. I think that’s rather uncontroversial. Some researchers – like our colleague Stuart Hameroff, [the director of the Center for Consciousness Studies at the University of Arizona] – suggest that large protein structures in neurons called microtubules act as qubits. But any biophysicist or biochemist would say that, at the very least, on the level of molecules with electron clouds, there are quantum states in our brain – so we can be said to have qubits in our brains.
Then let’s say we have “N” qubits in our brain and “M” qubits in an external quantum computer, with the letters referring to a certain number of qubits. If a person could entangle their brain with this quantum computer, they could create an expanded quantum superposition involving “N+M” qubits. If we now tickle this expanded superposition to make it collapse, then this should be reported by the person participating in this experiment as a richer experience. That’s because in their normal conscious experience, they typically need “N” bits to describe the experience, but now they need “N+M” bits to describe it.
I call this the “expansion protocol”, as it would allow us to expand consciousness in space, time and complexity. In fact, if we can find a way to set up this experiment, and someone reports these richer experiences, then this would support our explanation that quantum processes generate consciousness.
What do you imagine it would be like to experience this expanded consciousness?
The number of bits per second that we are consciously aware of is not very large. Many things that you could potentially be consciously aware of you’re not. Let’s say the James Webb Space Telescope shoots a beautiful picture, we make a screensaver out of it and we admire it. We are not able to consciously behold all the information that’s in the myriads of photons streaming into the James Webb telescope. That’s an experience we are not able to have.
So, in principle, we could generate way richer experiences than we normally have using our default biological brain. Some extraordinary states of consciousness, such as those experienced under psychedelics, for example, may be sort of a preview of what you could expect here. Entangling one’s brain with a quantum computer could potentially unlock higher levels of consciousness, creativity and understanding.
In principle, we could generate
way richer experiences than we
normally have
How would this help you to understand the relationship between mind and matter?
We could use this experimental set-up to identify which quantum states of matter correlate to different qualia. We can do this by asking a person whose brain is entangled with a quantum computer about the specific characteristics of their feelings and measuring the qubits associated with those feelings.
How has considering this experimental concept changed how you think about the origin of conscious moments?
When I started to think about this experimental programme, I realised, oh, wait a minute, there’s actually an issue with Roger’s ideas. If I measure a qubit in the quantum computer, the superposition collapses into a state that instantly goes hand in hand with an experience in the person who is entangled with the computer. If this were to happen, then I could use this entanglement – a unique phenomenon in quantum mechanics where two or more particles become intrinsically linked – as a channel to transmit information faster than light.
So, when Roger associated conscious moments with the collapse of superpositions, this opened the possibility of faster-than-light communication, which goes against fundamental rules of physics. I don’t like this – I’m the more orthodox physicist on this point. But if, instead, we say that a conscious moment is experienced when a superposition forms, not when a superposition collapses, then this challenge with faster-than-light communication goes away.
In our experimental set-up, we could test which of these ideas is correct. In Penrose’s version, the richer experience would be felt when the superposition collapses. However, if conscious moments occur when superpositions form, then the richer experience would be felt as soon as the qubits in someone’s brain become entangled with the qubits of the quantum computer.
It may yet be possible to test the idea that quantum states give rise to consciousness
Paolo
Carnassale/Getty Images
What other problems does flipping Penrose’s idea on its head help to solve?
The role of entanglement in the formation of conscious moments naturally explains our unified experience of reality. This is a well-known issue in neuroscience called the binding problem.
When we see an object, such as a face, neurons in the brain’s primary visual cortex fire in response to certain features being present, such as edges in certain orientations, creating the rough outline of a face. Then, this brain activity propagates to the higher visual cortices where richer facial features are represented. Our experience is distributed through the brain, rather than single neurons existing that fire to, say, represent your grandmother. We perceive holistically. So there is a disjoint between what we experience and the structure of our material brains. This is called the binding problem.
We can solve this by proposing that entanglement between qubits creates a unified conscious experience. Entanglement is the only true binding agent we have in physics, as it allows for the creation of holistic states where individual components are fundamentally interconnected. Thus, entanglement offers an elegant solution to the binding problem.
Will it ever be practically possible to entangle a human mind with a quantum computer?
At this point, the expansion protocol is technically still very challenging. But we can do a simpler warm-up experiment.
In recent years, researchers have become adept at growing little balls of human brain cells called brain organoids. We could use two qubits coupled via a brain organoid and carry out a Bell test – a quantum experiment that checks whether or not two systems are entangled. If we were to find that entanglement is needed to explain the results of this Bell test, then we can conclude that the brain organoid, at least in part, deserves a quantum mechanical description.
Maybe all the ideas I’ve been talking about turn out to be incorrect. But if it works, then you could ask, how is the quantum coupling best realised? Do you want to use photons? Do you want to use spin – a quantum property that atomic nuclei or electrons have? Or perhaps you want to use collective modes in microtubules.
What other practical obstacles are there?
One key requirement for a coherent link between brain tissue and a quantum processor is that it ought to be non-invasive to ensure safety and ease of use. This likely involves using quantum sensing techniques to indirectly probe and interact with the brain’s quantum states, potentially through methods like nuclear magnetic resonance [which underpins MRI]. But at this point, we are still too early in our research to attempt to specify this in any further detail.
How are these ideas about the quantum nature of consciousness received in your circles?
It’s an acquired taste. I’m often surprised how, among scientists, the nature of consciousness is considered a question one shouldn’t ask or be involved with. Whereas I think, look, when I have a toothache, this experience is very real, much more real than, say, the big bang or other constructs of science.
The philosopher of science Thomas Kuhn, in his book The Structure of Scientific Revolutions, said that before “normal science” can begin, there’s a “pre-paradigmatic” phase where we are still searching for the right framework to understand a phenomenon. I believe consciousness research has reached this inflection point. Our conjecture on what creates consciousness and our proposal on how to test it show that the nature of consciousness might be addressed with the methods of experimental science.
Topics：consciousness/futurology/quantum computing
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来源：人工智能学家
