二十世紀早期物理學領域最令人困惑的概念之一是量子物體可以同時存在於多種狀態的想法。例如，一個粒子可以同時在多個位置。數學和實驗結果對此都明確無疑。似乎粒子從這種狀態的“疊加”轉變為單一狀態的唯一方法是有人或物對其進行觀測，從而導致疊加“坍縮”。這種奇異的情況引發了關於什麼是觀測甚至什麼是觀測者的深刻問題。觀測者僅僅是發現坍縮的結果還是導致了坍縮？甚至真的存在坍縮嗎？觀測者可以是一個光子，還是必須是一個有意識的人？
匈牙利物理學家尤金·維格納在 1961 年提出了最後一個問題，他提出了一個涉及自己和一位假想朋友的思想實驗。這位朋友在一個完全隔離的實驗室裡，觀測一個處於兩種狀態疊加的量子系統：比如說，一種狀態會導致閃光，另一種狀態不會。維格納在外面，觀測整個實驗室。如果實驗室與外部世界之間沒有相互作用，那麼整個實驗室都按照量子物理學的規則演化，並且該實驗呈現出維格納的觀測結果與他的朋友的觀測結果之間的矛盾。這位朋友大概感知到一個實際結果（閃光或不閃光），但維格納必須將這位朋友和實驗室視為處於狀態的疊加：一種是產生閃光並且朋友看到閃光的狀態，另一種是沒有閃光並且朋友什麼也沒看到的狀態。（這位朋友的狀態與薛定諤的貓在同時處於死亡和活著狀態時的情況有些相似。）
最終，維格納詢問了他的朋友看到了什麼，整個系統據推測會坍縮成其中一種狀態。維格納寫道，在此之前，“這位朋友在他回答之前一直處於假死狀態”，他指出了這種荒謬性。一個悖論由此誕生。
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在過去的十年中，物理學家們已經提出並進行了該實驗的有限版本。當然，他們無法按照維格納設想的那樣進行實驗，因為人類無法被置於疊加態。但科學家們已經透過使用光子（光粒子）代替維格納的朋友來測試這個想法。從基本意義上講，“觀測”是環境或某些外部系統與被觀測系統之間的相互作用。一種簡單的觀測是讓單個光子與系統相互作用。然後，這種相互作用將光子置於狀態的疊加中，以便它攜帶有關其觀測到的系統的資訊。這些實驗證明了維格納悖論是真實存在的，為了解決它，物理學家可能不得不放棄他們珍視的關於客觀現實的信念。但單個光子顯然遠不及人類觀測者。
為了理解維格納思想的全部含義，科學家們設想了一個更接近原始朋友的觀測者，儘管它接近於科幻小說。澳大利亞布里斯班格里菲斯大學量子動力學中心主任霍華德·M·懷斯曼和他的同事們想象了一個未來的“朋友”，它是一個能夠像人類一樣思考的人工智慧。人工智慧將被構建在量子計算機內部。由於產生這種人工智慧思想的計算將是量子力學的，因此人工智慧將處於同時具有不同想法的疊加狀態（例如，“我看到了閃光”和“我沒有看到閃光”）。這種人工智慧尚不存在，但科學家們認為這是可能的。即使他們要到遙遠的未來才能進行實驗，僅僅思考這種型別的觀測者也有助於闡明在解決維格納悖論時，哪些客觀現實要素處於危險之中，並且可能不得不放棄。
馬修·特溫布利
蘇黎世聯邦理工學院量子資訊理論研究小組負責人雷納託·雷納也是研究維格納朋友悖論的人，他對量子力學人工智慧的這種應用感到興奮。“顯然，我們無法用真人進行維格納朋友實驗，”他說。“然而，如果你走向另一個極端，只用單個[光子]進行實驗，那就沒有那麼令人信服。[懷斯曼和他的團隊]試圖找到這種中間立場。我認為他們做得非常好。”
當然，人工智慧的思想可能永遠無法替代人類的觀測，在這種情況下，維格納悖論將繼續困擾我們。但是，如果我們同意可以構建這樣的人工智慧，那麼詳細說明如何執行這樣的實驗有助於揭示關於宇宙的一些基本原理。它闡明瞭我們如何確定誰或什麼真正算作觀測者，以及觀測是否會使疊加態坍縮。它甚至可能表明，測量的結果相對於個體觀測者而言是相對的——並且關於我們所生活的世界，沒有絕對的事實。
擬議的維格納人工智慧朋友實驗是測試關於某些可能為真或可能為假的現實基本原則的所謂“非定域性定理”的一種方法。該提案由懷斯曼、他的格里菲斯大學同事埃裡克·卡瓦爾坎蒂和美國宇航局艾姆斯研究中心量子人工智慧實驗室負責人埃莉諾·裡菲爾設計。該定理從一套關於物理現實的假設開始，所有這些假設似乎都非常合理。
第一個：我們有自由選擇測量裝置的設定。第二個：所有物理學都是局域的，這意味著時空一部分的干預無法比光速更快地影響時空另一部分的事物。第三個：觀測到的事件是絕對的，因此測量的結果對於所有人類觀測者來說都是真實的，即使可能並非所有人都知道。換句話說，如果你拋一枚量子硬幣並得到兩個可能結果之一，比如正面，那麼這個事實對所有觀測者都成立；同一枚硬幣不可能對其他一些觀測者顯示反面。
有了這些假設，研究人員就維格納關於人類意識的觀點展開了研究。維格納在他的思考中認為，意識必須與所有其他事物區別對待。為了在他的思想實驗中強調這一點，他要求我們考慮將原子作為實驗室內的“朋友”。當原子與粒子相互作用或測量粒子時，整個系統最終處於粒子閃爍和原子吸收光並進入更高能量狀態的疊加狀態，以及粒子不閃爍和原子保持基態的疊加狀態。只有當維格納檢查實驗室時，原子才會進入其中一種狀態。
這並不難接受。只要原子是孤立的，它確實可以保持在狀態的疊加中。但是，如果朋友是人類，那麼維格納從實驗室外部的視角和朋友從實驗室內部的視角就會產生衝突。當然，即使維格納尚未感知到，這位朋友也知道是否發生了閃光。“因此，有意識的生物在量子力學中必須扮演與無生命的測量裝置不同的角色，”維格納寫道。但是他的論點有道理嗎？人類觀測者與例如充當觀測者的原子有根本的不同嗎？
懷斯曼、卡瓦爾坎蒂和裡菲爾透過新增第四個假設正面解決了這個問題，他們稱之為友好性假設。它規定，如果人工智慧顯示出人類水平的能力，那麼它的思想就和人類的思想一樣真實。友好性假設明確了什麼是觀測者：“它是一個像我們一樣聰明的系統，”卡瓦爾坎蒂說。
經過多次辯論，該團隊最終確定了“智慧”而不是“意識”的概念。在他們的討論中，卡瓦爾坎蒂認為智慧是可以量化的。“沒有可能的測試來確定其他人是否具有意識，即使是人類，更不用說計算機了，”他說。因此，如果構建了人類水平的人工智慧，那麼它是否具有意識將是不清楚的，並且也可能否認它具有意識。“但[將]更難否認它具有智慧，”卡瓦爾坎蒂說。
在詳細描述了所有這些假設之後，研究人員證明，如果使用量子計算機內部的人工智慧高精度地完成他們版本的維格納朋友實驗，將導致矛盾。他們的非定域性定理將暗示至少其中一個假設一定是錯誤的。物理學家將不得不放棄他們珍視的現實觀念之一。
只有當科學家們有一天發明出不僅智慧而且能夠被置於疊加態的人工智慧時，非定域性定理才能得到檢驗——這需要一臺量子計算機。與經典計算機不同，量子計算機使用量子位元或量子位，量子位可以存在於兩個值的疊加態中。在經典計算中，邏輯閘電路將一些輸入位轉換為輸出位，並且輸出是確定的。在量子計算機中，輸出可以最終處於狀態的疊加中，每個狀態代表一個可能的結果。只有當你查詢量子計算機時，可能結果的疊加才會被破壞（根據量子力學的傳統解釋），從而產生單個輸出。
對於他們的定理，懷斯曼、卡瓦爾坎蒂和裡菲爾假設可以在量子計算機內部實現功能強大、具有人類水平智慧的人工智慧（例如，當今 ChatGPT 的後代）。他們將這臺機器稱為 QUALL-E，以 OpenAI 的影像生成人工智慧 DALL-E 和皮克斯的機器人 WALL-E 命名。這個名字也暗示了單詞“quale”，它指的是某人感知到的紅色等顏色的品質。該團隊試圖弄清楚開發實際 QUALL-E 的可行性。這是裡菲爾的專業領域。
將未來的經典人工智慧演算法轉換為可以在量子計算機內部工作的演算法涉及多個步驟。裡菲爾說，第一步是使用成熟的技術使經典計算可逆。可逆計算是指邏輯電路中的輸入位產生一些輸出位，並且這些輸出位在饋送到反向邏輯電路時，會再現初始輸入位。“一旦你有了可逆的經典演算法，你就可以立即將其轉換為量子演算法，”她說。如果經典演算法一開始就很複雜，那麼使其可逆會增加相當大的計算開銷。儘管如此，你還是可以估算出所需的總體計算能力。這個階段揭示了計算所需的大致邏輯量子位數。
計算開銷的另一個來源是量子糾錯。量子位很脆弱，它們的疊加可能會被環境中的無數因素破壞，從而導致計算錯誤。因此，量子計算機需要額外的量子位來跟蹤累積的錯誤並提供必要的冗餘以使計算回到正軌。一般來說，你需要 1000 個物理量子位才能完成一個邏輯量子位的工作。“這是一個很大的開銷，”裡菲爾說。
她對量子力學、人類水平人工智慧的計算能力的初步估計，使用當前容錯量子門的能力，令人震驚：對於人類需要一秒鐘思考的想法，QUALL-E 將需要 500 多年。顯然，QUALL-E 不會在短期內建成。“在像這樣提出的實驗可以執行之前，還需要幾十年和大量的創新，”裡菲爾說。
但裡菲爾和她的合作者們都很樂觀。懷斯曼從經典門在查爾斯·巴貝奇發明了他的分析機（許多人認為它是第一臺計算機）後的 150 年裡取得的巨大進步中獲得了啟發。“如果量子計算機在這麼長的時間裡有相同的軌跡，[那麼]在未來的某個時候，我認為這是可能的，”懷斯曼說。“原則上，我看不到任何理由說明它不能完成，但它比我最初想象的要困難得多。”
雷納也對該提案持樂觀態度。“至少這是我們在技術上原則上可以實現的，這與讓真人處於疊加態形成對比，”他說。裡菲爾認為，可以首先構建更小但仍然複雜的 QUALL-E 版本，這些版本不一定顯示出人類水平的智慧。“做線蟲或類似的東西可能就足夠了，”她說。“在單個光子和我們提出的實驗之間，有很多令人興奮的可能性。”
讓我們現在假設有一天 QUALL-E 將被建成。當這種情況發生時，QUALL-E 將在維格納朋友型別的實驗中扮演查理的角色，查理坐在兩位名叫愛麗絲和鮑勃的人類觀測者之間。查理和他的實驗室在量子力學上是隔離的。所有三個實體必須彼此足夠遠，以至於任何人的測量選擇都不會影響其他兩個人進行的測量的結果。
實驗從量子位源開始。在這種情況下，量子位可以處於值 +1 和 -1 的某些疊加態中。測量量子位涉及指定稱為基的東西——可以將其視為方向。使用不同的測量基可以產生不同的結果。例如，在“垂直”方向上測量數千個類似製備的量子位可能會產生相等數量的 +1 和 -1 結果。但是，如果在與垂直方向成一定角度的基中進行測量，您可能會觀察到 +1 比 -1 更頻繁，例如。
什麼是觀測者？觀測者可以是一個光子，還是必須是一個有意識的人？
實驗者首先取出兩個由單個量子態描述的量子位——這樣在相同基中測量每個量子位的量子態始終是完全相關的——並將每個量子位分別傳送給鮑勃和查理。鮑勃透過隨機選擇兩個基之一來測量他的量子位。然而，查理始終使用相同的基測量量子位。與此同時，愛麗絲拋硬幣。如果正面朝上，她不進行測量；相反，她向查理詢問他的測量結果，並將其用作她自己測量的結果。
但是，如果硬幣反面朝上，愛麗絲會逆轉查理在他的實驗室中所做的一切。她可以這樣做，因為查理是一個完全隔離的量子系統，其計算是可逆的。這種倒帶包括擦除查理進行過測量的記憶——這對於人類觀測者來說是不可能的操作。但是，撤銷觀測並恢復觀測者的記憶是將系統恢復到其初始狀態並從而檢索處於原始、未測量狀態的查理量子位的唯一方法。
一個重要的條件是，如果愛麗絲丟擲反面，查理和愛麗絲之間沒有通訊。研究人員強調，由於查理是一個能夠進行人類水平思考的人工智慧代理，因此只有在“查理同意參與其中”時才能進行實驗，懷斯曼說。“他知道他將要做一些事情，然後可能會被撤銷。” 逆轉測量並恢復原始量子位對於愛麗絲的下一步至關重要：然後她在與查理使用的基不同的基中觀測查理的量子位。
愛麗絲、查理和鮑勃多次執行整個過程。最終結果是，鮑勃的測量始終代表他自己的觀測，但愛麗絲的結果有時是她自己的測量（如果她丟擲反面），有時是查理的測量（如果她丟擲正面）。因此，她累積的結果代表了外部觀測者進行的測量和量子疊加內部的觀測者進行的測量的隨機組合。這種組合使科學家能夠測試兩種觀測者是否看到不同的事物。在試驗結束時，愛麗絲和鮑勃比較他們的結果。懷斯曼、卡瓦爾坎蒂和裡菲爾推匯出一個方程來計算愛麗絲和鮑勃結果之間的相關性——本質上是衡量他們達成一致的頻率。
計算相關性量很困難；它涉及根據整套測量值確定您可能期望的每個測量基的結果值，然後將這些值代入方程。在該過程結束時，該方程將吐出一個數字。如果該數字超過某個閾值，則實驗將違反不等式，表明存在問題。具體而言，違反不等式意味著研究人員構建到其定理中的關於物理現實的一組假設不能同時成立。它們中至少有一個一定是錯誤的。
馬修·特溫布利
由於科學家們建立非定域性定理的方式，大多數物理學家都期望得到這個結果。“我確信，如果進行這樣的實驗，將會違反不等式，”馬里蘭大學帕克分校物理學哲學家和榮譽教授傑弗裡·巴布說。
如果是這樣，物理學家將不得不拋棄他們最不喜歡的關於物理現實的假設。這並非易事——所有假設都很流行。物理學家可以自由選擇他們的測量設定的想法、宇宙是局域的並遵守阿爾伯特·愛因斯坦定律的觀念，以及一個人進行的測量的結果對於所有觀測者來說都是真實的期望，這些表面上看起來都是神聖不可侵犯的。“我認為大多數物理學家，如果讓他們思考一下，都會想堅持所有這些假設，”懷斯曼說。不過，更多的物理學家可能會準備好懷疑友好性假設——“機器智慧可以帶來真正的思想”的想法，懷斯曼說。
但是，如果機器可以有思想並且不等式被違反，那麼就必須放棄一些東西。不同量子理論或解釋的擁護者會將手指指向不同的假設，認為它們是違反的原因。以物理學家大衛·玻姆開發的玻姆力學為例。該理論認為，在我們日常對世界的體驗背後，存在一個隱藏的、非局域的現實，允許此處的事件瞬間影響其他地方的事件，而與它們之間的距離無關。這種想法的支持者將拋棄遵守愛因斯坦定律的局域現實的假設。在這種新情況下，宇宙中的一切事物都會同時影響其他一切事物，無論影響多麼微弱。宇宙已經從量子力學中內建了少量的非局域性，儘管這種性質仍然符合愛因斯坦對局域宇宙的看法。鑑於這種微小的非局域性是量子通訊和量子密碼學的基石，幾乎無法想象一個深刻的非局域宇宙的後果。
然後是所謂的量子物理學的客觀坍縮模型，該模型認為狀態的疊加會自行隨機坍縮，而測量裝置只是發現結果。坍縮理論家“會放棄量子計算機可以模擬人類的想法，或者友好性假設，”雷納說。他們會認為，量子計算機，如果有足夠的量子位來完全補償計算中出現的任何錯誤，應該無限期地保護疊加態——它永遠不會坍縮。如果不存在坍縮，那就沒有什麼可觀測的。
其他可能放棄友好性假設的物理學家是那些堅持量子力學標準哥本哈根解釋的物理學家。這種觀點認為，任何測量都需要一個假設的“海森堡切口”——一個名義上的分隔符，將量子系統與對其進行測量的經典裝置分開。這種解釋的擁護者“會否認通用量子計算機永遠是一個有效代理的假設，因為該計算機仍然處於疊加態，因此位於海森堡切口的量子側，”雷納說。“它只是站在了成為觀測者的錯誤一側。” 這樣的物理學家會認為，在量子計算機內部構建的人工智慧的思想不能代表人類的思想。巴布贊同這種觀點。“在這樣的實驗背景下，我會拒絕友好性假設，”他說。
還有一種更引人注目的替代方案：放棄關於觀測到的事件的絕對性的假設。放棄這一假設意味著，對同一事件的觀測會導致不同的結果，這取決於誰在進行測量（無論觀測者是有意識的人、人工智慧還是光子）。這個立場與多世界理論家（那些遵循物理學家休·埃弗雷特提出的理論的人）非常吻合，他們認為疊加態永遠不會真正被破壞——當進行測量時，每種可能的狀態都會分支出來，在不同的世界中顯現出來。他們會質疑觀測到的事件的絕對性，因為在他們的理論中，思想或觀測在各自的世界中是絕對的，而不是在所有世界中都是絕對的。
量子物理學的一些解釋認為，即使只有一個世界，測量的結果也可能仍然相對於觀測者而言是相對的，而不是對每個人來說都是客觀的事實。雷納本人對量子拋硬幣的結果可能對一位觀測者來說同時是反面，而對另一位觀測者來說是正面的想法持開放態度。“我們可能不得不放棄觀測到的事件的絕對性，”他說，“我認為這在物理學中真的很少有道理。” 他以愛因斯坦的相對論為例。當你測量物體的速度時，它是相對於你的參考系的。具有另一個參考系的人將需要執行明確定義的數學轉換（由相對論規則給出）以從他們自己的角度確定同一物體的速度。
然而，不存在這樣的規則可以將量子世界中的事物從一位觀測者的角度轉換為另一位觀測者的角度。“我們目前幾乎沒有線索表明這個規則應該是什麼，”雷納說。他補充說，科學家們在最近之前基本上避免思考觀測者。“只是現在人們才開始提出這個問題，所以它還沒有答案也就不足為奇了。” 儘管這個概念對一些物理學家來說可能聽起來很合理，但它與大多數人看待世界的方式相比，是一個相當激進的改變。如果測量結果相對於觀測者而言是相對的，那就會使整個科學事業受到質疑，而科學事業依賴於實驗發現的客觀性。物理學家將不得不找到一種方法來在量子參考系和經典參考系之間進行轉換。
該實驗更引人注目的結果是，如果不等式沒有被違反。懷斯曼認為，儘管這種情況發生的可能性很小，但我們不能確定它不會發生。“到目前為止，最有趣的事情是，如果我們嘗試進行這個實驗，但就是無法違反不等式，”他說。“那將是巨大的。” 這將意味著物理定律與物理學家認為的不同——這個結果甚至比放棄定理中的一個假設還要令人震驚。
無論如何，如果維格納朋友實驗有一天真的實現，它的意義將非常重大。這就是為什麼科學家們對這個想法如此感興趣的原因，即使進行實驗所需的人工智慧和計算技術還遙遙無期。“這並沒有改變我仍然認為這是一個嚴肅的提議的事實——不[僅僅是]空中樓閣，”懷斯曼說。這是“我真的希望，即使在我死後，實驗人員也會有動力去嘗試實現的事情。”
如果後代的科學家們完成了這項壯舉，他們可能會掌握一些關於量子現實本質的東西，而這些東西迄今為止一直讓最優秀的人才難以捉摸。很可能實驗觀測的地位會像物理學中的許多其他事物一樣——從崇高的地位到一文不值。哥白尼革命告訴我們，地球不是太陽系的中心。宇宙學家現在知道，我們的星系的位置與宇宙中其他 1000 億個星系的位置沒有什麼區別。在很大程度上，觀測到的事件可能會被證明沒有客觀地位。一切都可能是相對的，一直到最小的尺度。