二十世纪早期物理学领域最令人困惑的概念之一是量子物体可以同时存在于多种状态的想法。例如，一个粒子可以同时在多个位置。数学和实验结果对此都明确无疑。似乎粒子从这种状态的“叠加”转变为单一状态的唯一方法是有人或物对其进行观测，从而导致叠加“坍缩”。这种奇异的情况引发了关于什么是观测甚至什么是观测者的深刻问题。观测者仅仅是发现坍缩的结果还是导致了坍缩？甚至真的存在坍缩吗？观测者可以是一个光子，还是必须是一个有意识的人？
匈牙利物理学家尤金·维格纳在 1961 年提出了最后一个问题，他提出了一个涉及自己和一位假想朋友的思想实验。这位朋友在一个完全隔离的实验室里，观测一个处于两种状态叠加的量子系统：比如说，一种状态会导致闪光，另一种状态不会。维格纳在外面，观测整个实验室。如果实验室与外部世界之间没有相互作用，那么整个实验室都按照量子物理学的规则演化，并且该实验呈现出维格纳的观测结果与他的朋友的观测结果之间的矛盾。这位朋友大概感知到一个实际结果（闪光或不闪光），但维格纳必须将这位朋友和实验室视为处于状态的叠加：一种是产生闪光并且朋友看到闪光的状态，另一种是没有闪光并且朋友什么也没看到的状态。（这位朋友的状态与薛定谔的猫在同时处于死亡和活着状态时的情况有些相似。）
最终，维格纳询问了他的朋友看到了什么，整个系统据推测会坍缩成其中一种状态。维格纳写道，在此之前，“这位朋友在他回答之前一直处于假死状态”，他指出了这种荒谬性。一个悖论由此诞生。
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在过去的十年中，物理学家们已经提出并进行了该实验的有限版本。当然，他们无法按照维格纳设想的那样进行实验，因为人类无法被置于叠加态。但科学家们已经通过使用光子（光粒子）代替维格纳的朋友来测试这个想法。从基本意义上讲，“观测”是环境或某些外部系统与被观测系统之间的相互作用。一种简单的观测是让单个光子与系统相互作用。然后，这种相互作用将光子置于状态的叠加中，以便它携带有关其观测到的系统的信息。这些实验证明了维格纳悖论是真实存在的，为了解决它，物理学家可能不得不放弃他们珍视的关于客观现实的信念。但单个光子显然远不及人类观测者。
为了理解维格纳思想的全部含义，科学家们设想了一个更接近原始朋友的观测者，尽管它接近于科幻小说。澳大利亚布里斯班格里菲斯大学量子动力学中心主任霍华德·M·怀斯曼和他的同事们想象了一个未来的“朋友”，它是一个能够像人类一样思考的人工智能。人工智能将被构建在量子计算机内部。由于产生这种人工智能思想的计算将是量子力学的，因此人工智能将处于同时具有不同想法的叠加状态（例如，“我看到了闪光”和“我没有看到闪光”）。这种人工智能尚不存在，但科学家们认为这是可能的。即使他们要到遥远的未来才能进行实验，仅仅思考这种类型的观测者也有助于阐明在解决维格纳悖论时，哪些客观现实要素处于危险之中，并且可能不得不放弃。
马修·特温布利
苏黎世联邦理工学院量子信息理论研究小组负责人雷纳托·雷纳也是研究维格纳朋友悖论的人，他对量子力学人工智能的这种应用感到兴奋。“显然，我们无法用真人进行维格纳朋友实验，”他说。“然而，如果你走向另一个极端，只用单个[光子]进行实验，那就没有那么令人信服。[怀斯曼和他的团队]试图找到这种中间立场。我认为他们做得非常好。”
当然，人工智能的思想可能永远无法替代人类的观测，在这种情况下，维格纳悖论将继续困扰我们。但是，如果我们同意可以构建这样的人工智能，那么详细说明如何运行这样的实验有助于揭示关于宇宙的一些基本原理。它阐明了我们如何确定谁或什么真正算作观测者，以及观测是否会使叠加态坍缩。它甚至可能表明，测量的结果相对于个体观测者而言是相对的——并且关于我们所生活的世界，没有绝对的事实。
拟议的维格纳人工智能朋友实验是测试关于某些可能为真或可能为假的现实基本原则的所谓“非定域性定理”的一种方法。该提案由怀斯曼、他的格里菲斯大学同事埃里克·卡瓦尔坎蒂和美国宇航局艾姆斯研究中心量子人工智能实验室负责人埃莉诺·里菲尔设计。该定理从一套关于物理现实的假设开始，所有这些假设似乎都非常合理。
第一个：我们有自由选择测量设备的设置。第二个：所有物理学都是局域的，这意味着时空一部分的干预无法比光速更快地影响时空另一部分的事物。第三个：观测到的事件是绝对的，因此测量的结果对于所有人类观测者来说都是真实的，即使可能并非所有人都知道。换句话说，如果你抛一枚量子硬币并得到两个可能结果之一，比如正面，那么这个事实对所有观测者都成立；同一枚硬币不可能对其他一些观测者显示反面。
有了这些假设，研究人员就维格纳关于人类意识的观点展开了研究。维格纳在他的思考中认为，意识必须与所有其他事物区别对待。为了在他的思想实验中强调这一点，他要求我们考虑将原子作为实验室内的“朋友”。当原子与粒子相互作用或测量粒子时，整个系统最终处于粒子闪烁和原子吸收光并进入更高能量状态的叠加状态，以及粒子不闪烁和原子保持基态的叠加状态。只有当维格纳检查实验室时，原子才会进入其中一种状态。
这并不难接受。只要原子是孤立的，它确实可以保持在状态的叠加中。但是，如果朋友是人类，那么维格纳从实验室外部的视角和朋友从实验室内部的视角就会产生冲突。当然，即使维格纳尚未感知到，这位朋友也知道是否发生了闪光。“因此，有意识的生物在量子力学中必须扮演与无生命的测量设备不同的角色，”维格纳写道。但是他的论点有道理吗？人类观测者与例如充当观测者的原子有根本的不同吗？
怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里菲尔通过添加第四个假设正面解决了这个问题，他们称之为友好性假设。它规定，如果人工智能显示出人类水平的能力，那么它的思想就和人类的思想一样真实。友好性假设明确了什么是观测者：“它是一个像我们一样聪明的系统，”卡瓦尔坎蒂说。
经过多次辩论，该团队最终确定了“智能”而不是“意识”的概念。在他们的讨论中，卡瓦尔坎蒂认为智能是可以量化的。“没有可能的测试来确定其他人是否具有意识，即使是人类，更不用说计算机了，”他说。因此，如果构建了人类水平的人工智能，那么它是否具有意识将是不清楚的，并且也可能否认它具有意识。“但[将]更难否认它具有智能，”卡瓦尔坎蒂说。
在详细描述了所有这些假设之后，研究人员证明，如果使用量子计算机内部的人工智能高精度地完成他们版本的维格纳朋友实验，将导致矛盾。他们的非定域性定理将暗示至少其中一个假设一定是错误的。物理学家将不得不放弃他们珍视的现实观念之一。
只有当科学家们有一天发明出不仅智能而且能够被置于叠加态的人工智能时，非定域性定理才能得到检验——这需要一台量子计算机。与经典计算机不同，量子计算机使用量子比特或量子位，量子位可以存在于两个值的叠加态中。在经典计算中，逻辑门电路将一些输入位转换为输出位，并且输出是确定的。在量子计算机中，输出可以最终处于状态的叠加中，每个状态代表一个可能的结果。只有当你查询量子计算机时，可能结果的叠加才会被破坏（根据量子力学的传统解释），从而产生单个输出。
对于他们的定理，怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里菲尔假设可以在量子计算机内部实现功能强大、具有人类水平智能的人工智能（例如，当今 ChatGPT 的后代）。他们将这台机器称为 QUALL-E，以 OpenAI 的图像生成人工智能 DALL-E 和皮克斯的机器人 WALL-E 命名。这个名字也暗示了单词“quale”，它指的是某人感知到的红色等颜色的品质。该团队试图弄清楚开发实际 QUALL-E 的可行性。这是里菲尔的专业领域。
将未来的经典人工智能算法转换为可以在量子计算机内部工作的算法涉及多个步骤。里菲尔说，第一步是使用成熟的技术使经典计算可逆。可逆计算是指逻辑电路中的输入位产生一些输出位，并且这些输出位在馈送到反向逻辑电路时，会再现初始输入位。“一旦你有了可逆的经典算法，你就可以立即将其转换为量子算法，”她说。如果经典算法一开始就很复杂，那么使其可逆会增加相当大的计算开销。尽管如此，你还是可以估算出所需的总体计算能力。这个阶段揭示了计算所需的大致逻辑量子位数。
计算开销的另一个来源是量子纠错。量子位很脆弱，它们的叠加可能会被环境中的无数因素破坏，从而导致计算错误。因此，量子计算机需要额外的量子位来跟踪累积的错误并提供必要的冗余以使计算回到正轨。一般来说，你需要 1000 个物理量子位才能完成一个逻辑量子位的工作。“这是一个很大的开销，”里菲尔说。
她对量子力学、人类水平人工智能的计算能力的初步估计，使用当前容错量子门的能力，令人震惊：对于人类需要一秒钟思考的想法，QUALL-E 将需要 500 多年。显然，QUALL-E 不会在短期内建成。“在像这样提出的实验可以运行之前，还需要几十年和大量的创新，”里菲尔说。
但里菲尔和她的合作者们都很乐观。怀斯曼从经典门在查尔斯·巴贝奇发明了他的分析机（许多人认为它是第一台计算机）后的 150 年里取得的巨大进步中获得了启发。“如果量子计算机在这么长的时间里有相同的轨迹，[那么]在未来的某个时候，我认为这是可能的，”怀斯曼说。“原则上，我看不到任何理由说明它不能完成，但它比我最初想象的要困难得多。”
雷纳也对该提案持乐观态度。“至少这是我们在技术上原则上可以实现的，这与让真人处于叠加态形成对比，”他说。里菲尔认为，可以首先构建更小但仍然复杂的 QUALL-E 版本，这些版本不一定显示出人类水平的智能。“做线虫或类似的东西可能就足够了，”她说。“在单个光子和我们提出的实验之间，有很多令人兴奋的可能性。”
让我们现在假设有一天 QUALL-E 将被建成。当这种情况发生时，QUALL-E 将在维格纳朋友类型的实验中扮演查理的角色，查理坐在两位名叫爱丽丝和鲍勃的人类观测者之间。查理和他的实验室在量子力学上是隔离的。所有三个实体必须彼此足够远，以至于任何人的测量选择都不会影响其他两个人进行的测量的结果。
实验从量子位源开始。在这种情况下，量子位可以处于值 +1 和 -1 的某些叠加态中。测量量子位涉及指定称为基的东西——可以将其视为方向。使用不同的测量基可以产生不同的结果。例如，在“垂直”方向上测量数千个类似制备的量子位可能会产生相等数量的 +1 和 -1 结果。但是，如果在与垂直方向成一定角度的基中进行测量，您可能会观察到 +1 比 -1 更频繁，例如。
什么是观测者？观测者可以是一个光子，还是必须是一个有意识的人？
实验者首先取出两个由单个量子态描述的量子位——这样在相同基中测量每个量子位的量子态始终是完全相关的——并将每个量子位分别发送给鲍勃和查理。鲍勃通过随机选择两个基之一来测量他的量子位。然而，查理始终使用相同的基测量量子位。与此同时，爱丽丝抛硬币。如果正面朝上，她不进行测量；相反，她向查理询问他的测量结果，并将其用作她自己测量的结果。
但是，如果硬币反面朝上，爱丽丝会逆转查理在他的实验室中所做的一切。她可以这样做，因为查理是一个完全隔离的量子系统，其计算是可逆的。这种倒带包括擦除查理进行过测量的记忆——这对于人类观测者来说是不可能的操作。但是，撤销观测并恢复观测者的记忆是将系统恢复到其初始状态并从而检索处于原始、未测量状态的查理量子位的唯一方法。
一个重要的条件是，如果爱丽丝抛出反面，查理和爱丽丝之间没有通信。研究人员强调，由于查理是一个能够进行人类水平思考的人工智能代理，因此只有在“查理同意参与其中”时才能进行实验，怀斯曼说。“他知道他将要做一些事情，然后可能会被撤销。” 逆转测量并恢复原始量子位对于爱丽丝的下一步至关重要：然后她在与查理使用的基不同的基中观测查理的量子位。
爱丽丝、查理和鲍勃多次执行整个过程。最终结果是，鲍勃的测量始终代表他自己的观测，但爱丽丝的结果有时是她自己的测量（如果她抛出反面），有时是查理的测量（如果她抛出正面）。因此，她累积的结果代表了外部观测者进行的测量和量子叠加内部的观测者进行的测量的随机组合。这种组合使科学家能够测试两种观测者是否看到不同的事物。在试验结束时，爱丽丝和鲍勃比较他们的结果。怀斯曼、卡瓦尔坎蒂和里菲尔推导出一个方程来计算爱丽丝和鲍勃结果之间的相关性——本质上是衡量他们达成一致的频率。
计算相关性量很困难；它涉及根据整套测量值确定您可能期望的每个测量基的结果值，然后将这些值代入方程。在该过程结束时，该方程将吐出一个数字。如果该数字超过某个阈值，则实验将违反不等式，表明存在问题。具体而言，违反不等式意味着研究人员构建到其定理中的关于物理现实的一组假设不能同时成立。它们中至少有一个一定是错误的。
马修·特温布利
由于科学家们建立非定域性定理的方式，大多数物理学家都期望得到这个结果。“我确信，如果进行这样的实验，将会违反不等式，”马里兰大学帕克分校物理学哲学家和荣誉教授杰弗里·巴布说。
如果是这样，物理学家将不得不抛弃他们最不喜欢的关于物理现实的假设。这并非易事——所有假设都很流行。物理学家可以自由选择他们的测量设置的想法、宇宙是局域的并遵守阿尔伯特·爱因斯坦定律的观念，以及一个人进行的测量的结果对于所有观测者来说都是真实的期望，这些表面上看起来都是神圣不可侵犯的。“我认为大多数物理学家，如果让他们思考一下，都会想坚持所有这些假设，”怀斯曼说。不过，更多的物理学家可能会准备好怀疑友好性假设——“机器智能可以带来真正的思想”的想法，怀斯曼说。
但是，如果机器可以有思想并且不等式被违反，那么就必须放弃一些东西。不同量子理论或解释的拥护者会将手指指向不同的假设，认为它们是违反的原因。以物理学家大卫·玻姆开发的玻姆力学为例。该理论认为，在我们日常对世界的体验背后，存在一个隐藏的、非局域的现实，允许此处的事件瞬间影响其他地方的事件，而与它们之间的距离无关。这种想法的支持者将抛弃遵守爱因斯坦定律的局域现实的假设。在这种新情况下，宇宙中的一切事物都会同时影响其他一切事物，无论影响多么微弱。宇宙已经从量子力学中内置了少量的非局域性，尽管这种性质仍然符合爱因斯坦对局域宇宙的看法。鉴于这种微小的非局域性是量子通信和量子密码学的基石，几乎无法想象一个深刻的非局域宇宙的后果。
然后是所谓的量子物理学的客观坍缩模型，该模型认为状态的叠加会自行随机坍缩，而测量设备只是发现结果。坍缩理论家“会放弃量子计算机可以模拟人类的想法，或者友好性假设，”雷纳说。他们会认为，量子计算机，如果有足够的量子位来完全补偿计算中出现的任何错误，应该无限期地保护叠加态——它永远不会坍缩。如果不存在坍缩，那就没有什么可观测的。
其他可能放弃友好性假设的物理学家是那些坚持量子力学标准哥本哈根解释的物理学家。这种观点认为，任何测量都需要一个假设的“海森堡切口”——一个名义上的分隔符，将量子系统与对其进行测量的经典装置分开。这种解释的拥护者“会否认通用量子计算机永远是一个有效代理的假设，因为该计算机仍然处于叠加态，因此位于海森堡切口的量子侧，”雷纳说。“它只是站在了成为观测者的错误一侧。” 这样的物理学家会认为，在量子计算机内部构建的人工智能的思想不能代表人类的思想。巴布赞同这种观点。“在这样的实验背景下，我会拒绝友好性假设，”他说。
还有一种更引人注目的替代方案：放弃关于观测到的事件的绝对性的假设。放弃这一假设意味着，对同一事件的观测会导致不同的结果，这取决于谁在进行测量（无论观测者是有意识的人、人工智能还是光子）。这个立场与多世界理论家（那些遵循物理学家休·埃弗雷特提出的理论的人）非常吻合，他们认为叠加态永远不会真正被破坏——当进行测量时，每种可能的状态都会分支出来，在不同的世界中显现出来。他们会质疑观测到的事件的绝对性，因为在他们的理论中，思想或观测在各自的世界中是绝对的，而不是在所有世界中都是绝对的。
量子物理学的一些解释认为，即使只有一个世界，测量的结果也可能仍然相对于观测者而言是相对的，而不是对每个人来说都是客观的事实。雷纳本人对量子抛硬币的结果可能对一位观测者来说同时是反面，而对另一位观测者来说是正面的想法持开放态度。“我们可能不得不放弃观测到的事件的绝对性，”他说，“我认为这在物理学中真的很少有道理。” 他以爱因斯坦的相对论为例。当你测量物体的速度时，它是相对于你的参考系的。具有另一个参考系的人将需要执行明确定义的数学转换（由相对论规则给出）以从他们自己的角度确定同一物体的速度。
然而，不存在这样的规则可以将量子世界中的事物从一位观测者的角度转换为另一位观测者的角度。“我们目前几乎没有线索表明这个规则应该是什么，”雷纳说。他补充说，科学家们在最近之前基本上避免思考观测者。“只是现在人们才开始提出这个问题，所以它还没有答案也就不足为奇了。” 尽管这个概念对一些物理学家来说可能听起来很合理，但它与大多数人看待世界的方式相比，是一个相当激进的改变。如果测量结果相对于观测者而言是相对的，那就会使整个科学事业受到质疑，而科学事业依赖于实验发现的客观性。物理学家将不得不找到一种方法来在量子参考系和经典参考系之间进行转换。
该实验更引人注目的结果是，如果不等式没有被违反。怀斯曼认为，尽管这种情况发生的可能性很小，但我们不能确定它不会发生。“到目前为止，最有趣的事情是，如果我们尝试进行这个实验，但就是无法违反不等式，”他说。“那将是巨大的。” 这将意味着物理定律与物理学家认为的不同——这个结果甚至比放弃定理中的一个假设还要令人震惊。
无论如何，如果维格纳朋友实验有一天真的实现，它的意义将非常重大。这就是为什么科学家们对这个想法如此感兴趣的原因，即使进行实验所需的人工智能和计算技术还遥遥无期。“这并没有改变我仍然认为这是一个严肃的提议的事实——不[仅仅是]空中楼阁，”怀斯曼说。这是“我真的希望，即使在我死后，实验人员也会有动力去尝试实现的事情。”
如果后代的科学家们完成了这项壮举，他们可能会掌握一些关于量子现实本质的东西，而这些东西迄今为止一直让最优秀的人才难以捉摸。很可能实验观测的地位会像物理学中的许多其他事物一样——从崇高的地位到一文不值。哥白尼革命告诉我们，地球不是太阳系的中心。宇宙学家现在知道，我们的星系的位置与宇宙中其他 1000 亿个星系的位置没有什么区别。在很大程度上，观测到的事件可能会被证明没有客观地位。一切都可能是相对的，一直到最小的尺度。