量子認知

量子認知は、古典的な確率論がうまくいかない場合に、量子確率論の数学的形式主義を使用して心理学現象をモデル化します。^[1]この分野は、従来の手法では解決できなかった、または従来のモデルが障壁に達したと思われる認知科学の現象（例：人間の記憶）のモデル化、 ^[2]および従来の合理的観点からは逆説的と思われる意思決定理論の選好のモデル化（例：選好の逆転）に焦点を当てています。 ^[3]量子理論的枠組みの使用はモデル化を目的としているため、認知現象における量子構造の特定は、人間の脳における微視的な量子プロセスの存在を前提としません。^{[4] [5]}

量子認知は、人間の脳による情報処理^[6]、言語、意思決定[ ^7]、人間の記憶、概念と概念的推論、人間の判断、知覚などの認知現象をモデル化するために適用できます。^{[8] [9] [10]}

古典的な確率論は推論に対する合理的なアプローチであるが、心理学における人間の推論のいくつかの観察は簡単には説明できない。量子確率論が有利なケースとしては、連言誤謬、選言誤謬、確実なものの原理の失敗、判断における質問順序の偏りなどがある。^{[1] : 752}

心理学実験の参加者に「リンダ」について説明し、リンダはフェミニストのようで銀行員には見えないと説明し、リンダがフェミニスト、銀行員、フェミニストかつ銀行員である確率を順位付けするよう求めた場合、参加者は次のような値で応答します。 合理的な古典的確率理論は誤った予測をします。つまり、人間は結合を銀行員の選択肢よりも可能性が低いと順位付けすると予想します。この実験のさまざまなバリエーションは、この場合の誤謬が人間の認知を表しており、1 つのプレゼンテーションによるアーティファクトではないことを示しています。^{[1] : 753}${\displaystyle P}$$${\displaystyle P({\text{フェミニスト}})>P({\text{フェミニスト}}\ \&\ {\text{銀行出納係}})>P({\text{銀行出納係}})}$$

量子認知は、この確率推定シナリオを量子確率論でモデル化する。量子確率論では、連続確率 が直接確率 よりも常に大きくなる。その考え方は、「銀行の窓口係」に対する人の理解は、「フェミニスト」に関する質問の文脈によって左右されるというものである。^{[1] : 753}この 2 つの質問は「両立しない」。つまり、これらを古典理論で扱うには、別々の推論手順が必要になる。^[11]${\displaystyle P({\text{フェミニスト}}\ \&\ {\text{銀行員}})}$${\displaystyle P({\text{銀行窓口係}})}$

量子認知の概念は、さまざまな認知現象が古典的な確率論よりも量子確率論によってより適切に記述されるという観察に基づいています (以下の例を参照)。したがって、量子形式論は確率的データの非古典的な処理を記述する操作形式論であると考えられています。

ここで、文脈性がキーワードとなる（この観点の詳細な説明については、クレニコフのモノグラフを参照）。^[8]量子力学は基本的に文脈的である。^[12]量子系は、測定コンテキストとは独立して定義できる客観的な特性を持たない。ニールス・ボーアが指摘したように、実験の配置全体を考慮に入れなければならない。文脈性とは、両立しない精神的変数の存在、全確率の古典的な法則の違反、および建設的または破壊的な干渉効果を意味する。したがって、量子認知アプローチは、量子力学の数学的装置を使用して、精神的プロセスの文脈性を形式化する試みと考えることができる。

ある人が次のギャンブルを 2 回プレイする機会を与えられたとします。コイントスで、被験者が 200 ドル勝つか 100 ドル負けるかが決定されます。被験者は最初のラウンドをプレイすることに決め、プレイします。一部の被験者には最初のラウンドの結果 (勝ちか負けか) が伝えられますが、他の被験者にはまだ結果に関する情報は伝えられません。次に、実験者は被験者に 2 回目のラウンドをプレイするかどうかを尋ねます。実際の被験者でこの実験を行うと、次の結果が得られます。

1. 被験者が第 1 ラウンドで勝ったと信じた場合、大多数の被験者は第 2 ラウンドで再度プレイすることを選択します。
2. 被験者が最初のラウンドで負けたと思った場合、大多数の被験者は 2 回目のラウンドで再度プレイすることを選択します。

これら2つの別々の選択肢が与えられた場合、合理的意思決定理論の確実性原理によれば、被験者は第1ラウンドの結果を知らなかったり考えていなかったとしても、第2ラウンドもプレイするはずです。 ^[13] しかし、実験では、被験者に第1ラウンドの結果を告げないと、大多数の被験者が第2ラウンドのプレイを拒否しました。^[14] この発見は全確率の法則に反していますが、量子物理学の二重スリット実験の結果の説明と同様に、量子干渉効果として説明できます。 ^{[9] [15] [16]}同様の確実性原理の違反は、囚人のジレンマの実証研究でも見られ、同様に量子干渉の観点からモデル化されています。^[17]

不確実性下におけるエージェントの意思決定における古典的な合理的期待からの上記の逸脱は、行動経済学でよく知られているパラドックス、すなわちアライス、エルズバーグ、マキナのパラドックスを生み出す。^{[18] [19] [20]}これらの逸脱は、全体的な概念的ランドスケープが予測も制御もできない方法で主体の選択に影響を与えると仮定すれば説明できる。したがって、意思決定プロセスは本質的に文脈的プロセスであり、単一のコルモゴロフ確率空間でモデル化することはできず、これが意思決定理論における量子確率モデルの使用を正当化する。より明確に言えば、上記の逆説的な状況は、不確実性下における人間の行動が真の量子的側面、すなわち重ね合わせ、干渉、文脈性、非互換性の観点から説明される統一ヒルベルト空間形式で表現できる。^{[21] [22] [23] [16]}

自動化された意思決定を考慮すると、量子決定木は古典的な決定木とは異なる構造を持っています。データを分析して、量子決定木モデルがデータに適合しているかどうかを確認することができます。^[24]

量子確率は、連言エラーや選言エラーなどの人間の確率判断エラーを説明する新しい方法を提供します。^[25]連言エラーは、人が起こりそうなイベント Lと起こりそうにないイベント U の確率を起こりそうにないイベント U の確率よりも大きいと判断したときに発生します。選言エラーは、人が起こりそうなイベント L の確率を起こりそうなイベント Lまたは起こりそうにないイベント Uの確率よりも大きいと判断したときに発生します。量子確率理論は、古典的なコルモゴロフ公理の一部を緩和したフォン ノイマン公理のセットに基づいているため、ベイズ確率理論の一般化です。^[26]量子モデルは、質問の互換性と非互換性、およびこれが判断の順序に与える影響という、認知に新しい基本概念を導入します。量子確率は、連言エラーと選言エラー、および確率判断に対する順序の影響など、他の多くの発見を簡単に説明します。^{[27] [28] [29]}

嘘つきのパラドックス - 人間の主体が認知主体の真実行動に及ぼす文脈的影響は、いわゆる嘘つきのパラドックス、つまり「この文は偽である」という文の真理値によって明示的に示される。このパラドックスの真偽状態は複素ヒルベルト空間で表現され、真と偽の間の典型的な振動はシュレーディンガー方程式によって動的に記述されることがわかる。^{[30] [31]}

概念は基本的な認知現象であり、推論、説明、言語理解のための内容を提供します。認知心理学では、概念を理解するためのさまざまなアプローチ（例、プロトタイプ、ニューラルネットワークなど）が研究されており、概念の結合と分離に関する実験的にテストされた非古典的な動作、より具体的にはペットフィッシュ問題またはグッピー効果^[32]や、結合と分離の典型性とメンバーシップの重みの過剰拡張と不足拡張など、さまざまな基本的な問題が特定されています。^{[33] [34]}概して、量子認知は概念をモデル化するために3つの方法で量子理論を利用しています。

1. 量子論の文脈性を利用して、認知と言語における概念の文脈性と、概念が組み合わさったときに生じる特性の現象を説明する^{[4] [35] [36] [37] [38]}
2. 量子もつれを利用して、概念の組み合わせの意味を非分解的にモデル化し、概念の組み合わせに関連する出現特性/関連/推論を説明する^[39]
3. 量子重ね合わせを用いて概念が結合されたときに新しい概念が出現することを説明し、その結果としてペットフィッシュ問題の状況と概念の結合と分離に対するメンバーシップ重みの過剰拡張と不足拡張の説明モデルを提示する。^{[27] [35] [36]}

^{ハンプトン[33] [34]}が収集した2つの概念の組み合わせに関する大量のデータは、フォック空間の特定の量子理論的枠組みでモデル化することができ、そこでは、古典的な集合（ファジー集合）理論からの観察された逸脱、前述のメンバーシップ重みの過剰拡張と不足拡張が、文脈的相互作用、重ね合わせ、干渉、エンタングルメント、および創発の観点から説明されます。^{[27] [40] [41] [42]}さらに、特定の概念の組み合わせに関する認知テストが実行され、ベルの不等式の違反を通じて、構成要素の概念間の量子エンタングルメントが直接明らかにされました。^{[43] [44]}

(iv) の研究は、非構造化文書のコーパス内の概念、その組み合わせ、可変コンテキストを扱う際に意味情報を取得するための形式主義の理解と初期開発に大きな影響を与えました。Web上、およびデータベース全般における自然言語処理(NLP) と情報検索(IR) のこの難問は、量子論の数学的形式主義を使用して対処できます。基本的な手順として、(a) K. Van Rijsbergen は IR に量子構造アプローチを導入し、^[45] (b) Widdows と Peters は具体的な検索システムに量子論理否定を利用し、^{[38] [46] Aerts と Czachor は}潜在意味解析などの意味空間理論における量子構造を特定しました。^[47]それ以来、ヒルベルト空間、量子論理と確率、非可換代数など、量子論の数学的形式から導かれた技術と手順がIRやNLPなどの分野で採用され、大きな成果を生み出してきました。^[48]

量子論の形式主義を認知に適用するというアイデアは、1990年代に、ディーデリック・アーツと彼の協力者であるヤン・ブローカート、ソニア・スメッツ、リアン・ガボラ、ハラルド・アトマンスパチャー、ロバート・ボードレイ、アンドレイ・クレニコフによって初めて登場しました。量子認知と意思決定に関する特別号が、 Journal of Mathematical Psychology （2009年、第53巻）に掲載され、この分野の旗印となりました。量子認知に関連する数冊の本が出版されており、その中にはクレニコフ（2004、2010）、イヴァンシヴィッチとイヴァンシヴィッチ（2010）、ブセメイヤーとブルザ（2012）、E. コンテ（2012）による本があります。最初の量子相互作用ワークショップは、 2007年にスタンフォードで開催され、ピーター・ブルーザ、ウィリアム・ローレス、CJ ファン・ライスベルゲン、ドン・ソフゲの主催により、2007年AAAI春季シンポジウムシリーズの一環として開催されました。その後、2008年にオックスフォード、 2009年にザールブリュッケン、2010年にワシントンDC、2011年にアバディーン、2012年にパリ、2013年にレスターで開催された2010年AAAI秋季シンポジウムシリーズでワークショップが開催されました。チュートリアルは、2007年から2013年まで、認知科学会の年次総会で毎年発表されました。量子認知モデルに関する特別号が、 2013年にTopics in Cognitive Science誌に掲載されました。

• Busemeyer, JR; Bruza, PD (2012)。認知と意思決定の量子モデル。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-1-107-01199-1。
• Busemeyer, JR; Wang, Z. (2019). 「量子認知入門」.スペイン心理学ジャーナル. 22. e53. doi :10.1017/sjp.2019.51. PMID  31868156. S2CID  209446824.
• Conte, E. (2012).神経科学と心理学における量子力学の応用の進歩: クリフォード代数的アプローチ。Nova Science Publishers。ISBN 978-1-61470-325-9。
• Ivancevic, V.; Ivancevic, T. (2010).量子ニューラルコンピューティング. Springer. ISBN 978-90-481-3349-9。
• クレニコフ、A. (2006) 「量子のような脳: 「心の干渉」「.バイオシステム. 84 (3): 225–241. arXiv : quant-ph/0205092 . doi :10.1016/j.biosystems.2005.11.005. PMID  16427733.
• Khrennikov, A. (2004)。認知、心理、社会、異常現象における情報ダイナミクス。物理学の基礎理論。第 138 巻。Kluwer。ISBN 1-4020-1868-1。
• Atmanspacher, H.; Römer, H.; Walach, H. (2002). 「弱い量子理論: 物理学とその先における相補性とエンタングルメント」. Foundations of Physics . 32 (3): 379–406. doi :10.1023/A:1014809312397. S2CID  118583726.

• Busemeyer, J. R (2011) 「量子認知と意思決定ノート」 インディアナ大学。2011年10月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。生命は複雑であり、実在部分と虚数部分の両方がある。
• ブルートナー、ラインハルト。「量子認知」。