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什么是量子认知?物理学理论可以预测人类的行为

同一个基本的平台可以让薛定谔的猫既活又死,也意味着两个粒子甚至可以跨越一个星系的距离“相互说话”,这可能有助于解释最神秘的现象:人类行为。

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薛定谔的猫

量子物理学和人类心理学似乎完全不相关,但一些科学家认为这两个领域在有趣的方面重叠。这两个学科都试图预测不受约束的系统在未来的表现。不同之处在于,一个领域旨在理解物理粒子的基本性质,而另一个领域则试图解释人性及其固有的谬误。

合肥中国科技大学生物物理学家、神经科学家 张效初在一封电子邮件中对《生活科学》说:“认知科学家发现,人类有很多‘非理性’的行为。”经典的决策理论试图预测一个人在给定的参数下会做出什么样的选择,但易犯错误的人并不总是按预期行事。最近的研究表明,逻辑上的这些失误“可以用量子概率理论很好地解释”,张说。

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张是量子认知的支持者之一。在1月20日发表在《自然-人类行为》杂志上的一项新研究中,他和他的同事研究了从量子力学中借用的概念,如何帮助心理学家更好地预测人类的决策。在一项著名的心理学任务中,在记录人们作出的决定的同时,研究小组还监测了参与者的大脑活动。扫描突出了可能参与量子思维过程的特定大脑区域。

张说,这项研究是“第一次在神经层面支持量子认知的观点”。

那到底是什么意思?

不确定性

量子力学描述了构成宇宙中所有物质的微小粒子的行为,即原子及其亚原子成分。这一理论的一个中心原则表明,在这个非常小的世界里,存在着大量的不确定性,而这在更大的尺度上是看不到的。例如,在大世界里,人们可以知道一列火车在它的路线上的位置和它的旅行速度,并且根据这些数据,人们可以预测火车何时到达下一站。

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现在,把火车换成一个电子,你的预测能力就消失了——你不知道一个给定电子的确切位置和动量,但你可以计算出粒子出现在某个特定位置,以特定速度运动的概率。这样,你就能对电子的作用有一个模糊的概念。

正如不确定性弥漫在亚原子世界一样,它也渗透到我们的决策过程中,无论我们是在辩论哪个新的系列节目,还是在总统选举中投票。这就是量子力学的用处,与经典的决策理论不同,量子世界为一定程度的不确定性留出了空间。

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古典心理学理论认为,人们为了最大化“奖励”而做出决策,并尽量减少“惩罚”——换句话说,确保他们的行为比消极后果更积极。这种被称为“强化学习”的逻辑符合帕夫洛尼亚条件作用,根据2009年《数学心理学杂志》的一份报告,人们学习根据过去的经验预测自己行为的后果。

如果真的受到这个框架的约束,人类在选择两个方案之前,会一直权衡这两个方案的客观价值。但在现实中,人们并不总是这样工作;他们对某一情况的主观感觉削弱了他们做出客观决定的能力。

正面和反面(同时)

举个例子:

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想象一下你在打赌一枚抛来的硬币是正面还是反面着地。正面给你200美元,反面给你100美元,你可以选择掷硬币两次。根据1992年发表在《认知心理学》杂志上的一项研究,在这种情况下,大多数人会选择两次下注,而不管最初的投注结果是赢还是输。想必,赢家第二次下注是因为不管怎样他们都会赚钱,而输家下注是为了挽回损失,然后再下注一些。然而,如果玩家不被允许知道第一次掷硬币的结果,他们很少进行第二次赌博。

当已知时,第一个翻转不会影响随后的选择,但当未知时,它会产生所有的不同。这种悖论不符合经典强化学习的框架,经典强化学习预测目标选择应该始终相同。相比之下,量子力学考虑了不确定性,并实际预测了这种奇怪的结果。

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教科书《量子社会科学》(剑桥大学出版社,2013)的合著者埃曼纽尔·海文(Emmanuel Haven)和安德烈·赫伦尼科夫(Andrei Khrennikov)在一封电子邮件中对《生活科学》(Live Science)说:“可以说,决策的‘基于量子’模型本质上是指在认知领域使用量子概率。”

正如一个特定的电子在某一时刻可能在这里或那里一样,量子力学假设第一次掷硬币同时导致了一场胜利和一场失败。(换句话说,在著名的思维实验中,薛定谔的猫是活的和死的)当处于这种被称为“叠加”的模糊状态时,个体的最终选择是未知和不可预测的。量子力学也承认,人们对某一决定的结果的信念——无论它是好是坏——往往反映出他们最终的选择是什么。这样,人们的信仰与他们最终的行动相互作用,或者变得“纠缠”。

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亚原子粒子同样会纠缠在一起,甚至在相隔很远的情况下也会影响彼此的行为。例如,测量位于日本的粒子的行为将改变其在美国的纠缠伙伴的行为。在心理学中,信念和行为之间也有类似的类比。”哈文和赫伦尼科夫说,正是这种相互作用,“或者说纠缠态”,影响了测量结果。在这种情况下,测量结果是指个人做出的最终选择。”这可以借助量子概率精确表述。”

科学家们可以用数学方法来模拟这种纠缠的叠加态,即两个粒子即使相隔很远也会相互影响,这一点在2007年由人工智能进步协会发表的一份报告中得到了证明。值得注意的是,最后的公式准确地预测了掷硬币范式的悖论结果。哈文和赫伦尼科夫指出:“使用基于量子的方法可以更好地解释逻辑上的失误。”

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押注量子

在他们的新研究中,张和他的同事将两个基于量子的决策模型与12个经典的心理学模型进行对比,看哪一个最能预测人类在心理任务中的行为。这项实验被称为爱荷华州赌博任务,旨在评估人们从错误中学习的能力,并随着时间的推移调整他们的决策策略。

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在这项任务中,参与者从四副牌中抽取。每一张牌要么赚玩家的钱,要么花他们自己的钱,而游戏的目的就是尽可能多地赚钱。关键在于每副牌是如何叠起来的。从一副牌中抽牌可以在短期内为玩家赚大钱,但到游戏结束时,这将使玩家付出更多的现金。其他平台在短期内提供的资金较少,但总体上惩罚较少。通过游戏,赢家学会了从“缓慢而稳定”的牌堆中抽奖,而输家则从赚得快钱和高额罚款的牌堆中抽奖。

从历史上看,那些吸毒成瘾或大脑受损的人在爱荷华州赌博任务中的表现比健康的参与者差,这表明他们的状况在某种程度上损害了决策能力,2014年发表在《应用神经心理学:儿童》杂志上的一项研究强调了这一点。这一模式在张的实验中是正确的,其中包括大约60名健康参与者和40名尼古丁上瘾者。

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作者指出,这两个量子模型的预测与经典模型中最精确的预测相似。”尽管量子模型并没有压倒性地优于经典模型,“ 他们补充说,“我们应该意识到,量子强化学习(quantum reinforcement learning)框架仍处于初级阶段,毫无疑问值得进一步研究。”

为了提高研究的价值,研究小组在完成爱荷华州赌博任务时对每位参与者进行了脑部扫描。在这样做的过程中,作者试图窥视参与者随着时间的推移学习和调整游戏策略时大脑内部发生的事情。量子模型产生的结果预测了这种学习过程将如何展开,因此,作者推测大脑活动的热点可能与模型的预测有某种关联。

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扫描确实揭示了健康参与者在游戏过程中大脑的一些活跃区域,包括额叶内参与决策的几个大褶皱的激活。然而,吸烟组的大脑活动热点似乎与量子模型的预测无关。作者指出,由于该模型反映了参与者从错误中学习的能力,结果可能说明吸烟组存在决策障碍。

不过,他们补充说,“有必要进行进一步的研究”,以确定这些大脑活动差异在吸烟者和不吸烟者中的真实反映。”量子模型与脑神经生理过程的耦合……“是一个非常复杂的问题,”海文和赫伦尼科夫说这项研究作为解决这一问题的第一步具有重要意义。”

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张说,经典强化学习模式在情感、精神障碍、社会行为、自由意志和许多其他认知功能的研究中显示出“巨大的成功”,我们希望量子强化学习也能为这些领域提供启示,提供独特的见解。

随着时间的推移,也许量子力学将有助于解释人类逻辑中普遍存在的缺陷,以及这种错误性如何在单个神经元的水平上表现出来。

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