⚛️ quantum physics

Testing time order and Leggett-Garg inequalities with noninvasive measurements on public quantum computers

Diese Arbeit demonstriert die erste Verletzung von Leggett-Garg-Ungleichungen und Zeitordnungsinvarianz auf öffentlichen Quantencomputern unter Verwendung echter nicht-invasiver Messungen, wobei neue fraktionale Gates genutzt werden, um schwache Messprotokolle als sensitive Benchmarks zu etablieren, die statistisch signifikante Abweichungen von theoretischen Vorhersagen jenseits der deklarierten Gerätefehlerraten offenbaren.

Ursprüngliche Autoren: Tomasz Rybotycki, Tomasz Białecki, Josep Batle, Bartłomiej Zglinicki, Adam Szereszewski, Wolfgang Belzig, Adam Bednorz

Veröffentlicht 2026-01-29

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Tomasz Rybotycki, Tomasz Białecki, Josep Batle, Bartłomiej Zglinicki, Adam Szereszewski, Wolfgang Belzig, Adam Bednorz

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Die große Idee: Spähen, ohne zu berühren

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen sehr empfindlichen, rotierenden Kreisel. In der klassischen Welt können Sie einfach hinsehen, um zu wissen, in welche Richtung er sich dreht. Ihre Augen verändern die Drehung nicht wirklich.

Aber in der Quantenwelt (der Welt winziger Teilchen wie Atome) ist das Beobachten ein gewaltsamer Akt. Wenn Sie versuchen, ein Quantenteilchen zu „beobachten“, um seinen Zustand zu sehen, stoßen Sie es meistens um oder ändern seine Richtung. Dies wird als projektive Messung bezeichnet. Es ist so, als würde man versuchen, die Temperatur einer Tasse Kaffee zu prüfen, indem man ein riesiges, eiskaltes Thermometer hineinsteckt; der Akt des Messens verändert den Kaffee.

Lange Zeit wollten Wissenschaftler eine spezifische Regel testen, die als Leggett-Garg-Ungleichung bekannt ist. Diese Regel fragt: Besitzt ein Quantenobjekt auch dann einen festen Zustand, wenn wir nicht hinsehen? (Dies ist das Konzept des „Realismus“). Um dies zu testen, muss man das Objekt zu verschiedenen Zeiten beobachten, ohne seinen Pfad zu verändern. Da normales „Spähen“ das Objekt jedoch verändert, war dieser Test saubererweise unmöglich durchzuführen.

Die Lösung: Die „geisterhafte“ Berührung

Dieses Paper beschreibt ein Team, das diesen Test schließlich auf öffentlichen Quantencomputern (wie denen, die man online von IBM und IonQ mieten kann) durchgeführt hat. Sie verwendeten eine Technik namens schwache Messung (Weak Measurement).

Stellen Sie sich eine schwache Messung wie eine geisterhafte Berührung vor.

Normale Messung: Ein starker Schlag, der den Kreisel umwirft.
Schwache Messung: Eine sanfte Brise, die den Kreisel nur ganz leicht anstößt. Sie ist so leicht, dass der Kreisel größtenteils gleich bleibt, aber die Brise trägt ein winziges Stück Information über die Drehung in sich.

Der Haken dabei? Eine einzelne Brise ist zu schwach, um viel über die Drehung zu verraten. Man muss die Brise tausendfach fühlen und die Ergebnisse mitteln, um ein klares Bild zu erhalten. Das Team hat genau das getan und riesige Mengen an Daten gesammelt, um das „geisterhafte“ Muster zu erkennen.

Das Experiment: Der Zeitreise-Test

Die Forscher gestalteten ein Spiel mit drei Schritten, das ein Quantenteilchen und zwei „geisterhafte“ Sensoren (nennen wir sie Sensor A und Sensor B) umfasst, gefolgt von einer abschließenden Prüfung (Sensor C).

Der Aufbau: Sie bereiteten ein Quantenteilchen in einem spezifischen Zustand vor.
Der Test: Sie maßen das Teilchen mit Sensor A, dann mit Sensor B und schließlich mit Sensor C.
Der Twist: Sie führten das Experiment auch in umgekehrter Reihenfolge durch: Sensor B, dann Sensor A, dann Sensor C.

In unserer alltäglichen Welt sollte die Reihenfolge der Ereignisse keine Rolle spielen, wenn man nur sanft beobachtet. Wenn Sie das Wetter am Morgen und dann am Nachmittag prüfen, sollte es keine Rolle spielen, ob Sie sagen „Morgen dann Nachmittag“ oder „Nachmittag dann Morgen“ – die Daten sollten dieselben sein. Dies wird als Zeit-Ordnungs-Invarianz bezeichnet.

Was sie fanden

Die Ergebnisse waren schockierend und bestätigten, dass die Quantenwelt sehr seltsam ist:

Regeln brechen (Verletzung der Leggett-Garg-Ungleichung): Die Daten zeigten, dass das Teilchen keinen festen Zustand hatte, bevor man es betrachtete. Die „geisterhaften“ Messungen offenbarten, dass die Realität des Teilchens erst durch den Akt der Messung erschaffen wurde. Sie verletzten die Leggett-Garg-Ungleichung um eine enorme Spanne (mehr als das 5- bis 10-fache der erwarteten Fehlerrate).
Die Reihenfolge zählt (Verletzung der Zeit-Ordnungs-Invarianz): Als sie die Reihenfolge der Sensoren vertauschten (A dann B vs. B dann A), waren die Ergebnisse völlig unterschiedlich. In der Quantenwelt verändert die Sequenz der „sanften Berührungen“ das Ergebnis. Es ist, als ob das Prüfen des Wetters am Nachmittag vor dem Morgen tatsächlich das Wetter am Morgen verändert hätte.

Die Hardware: Öffentliche Computer

Das Team hat keine spezielle Labor-Maschine gebaut. Sie nutzten öffentliche Quantencomputer, die über das Internet verfügbar sind (IBM und IonQ).

Sie testeten auf 10 verschiedenen Gruppen von 3-Qubit-„Schaltkreisen“ auf 5 verschiedenen Geräten.
Sie verwendeten neue, spezialisierte „fraktionale Gates“ (die wie Dimmer für Quantenoperationen funktionieren), um diese sanften, schwachen Messungen zu erzeugen.
Sie fanden heraus, dass die Computer zwar verrauscht waren (wie ein Raum mit viel Hintergrundgeplapper), das Signal aber so stark war, dass sie die Quanten-Eigenart dennoch klar erkennen konnten.

Das Faz-it

Das Paper behauptet, dass es erfolgreich öffentliche Quantencomputer genutzt hat, um zwei Dinge zu beweisen:

Quantenobjekte besitzen keine feste Realität, bis sie gemessen werden (Verletzung der „Makrorealität“).
Die Reihenfolge, in der man ein Quantensystem sanft misst, spielt eine Rolle (Verletzung der „Zeit-Ordnungs-Invarianz“).

Dies gelang ihnen, ohne das System zu „einfrieren“ oder es durch starke Messungen zu zerstören, was beweist, dass diese öffentlichen Maschinen nun leistungsstark genug sind, um die tiefsten, philosophischsten Fragen darüber zu testen, wie die Realität funktioniert.

Technische Zusammenfassung: Testen der Zeitordnung und der Leggett-Garg-Ungleichungen mittels nichtinvasiver Messungen auf öffentlichen Quantencomputern

Problemstellung
Die Quantenmechanik stellt klassische Intuitionen bezüglich Realismus und zeitlicher Ordnung infrage, insbesondere durch die Verletzung der lokalen Realität und der Leggett-Garg-Ungleichung (LG). Die LG-Ungleichung, die unter den Annahmen des Makrorealismus und der Nichtinvasivität abgeleitet wurde, postuliert, dass die Messergebnisse nicht von der Reihenfolge der Beobachtung abhängen sollten, sofern das System nicht gestört wird. Herkömmliche projektive Messungen sind jedoch inhärent invasiv, da sie entweder die Systemdynamik einfrieren (Quanten-Zeno-Effekt) oder die nachfolgende Entwicklung stören, was die echte Prüfung der Nichtinvasivität verhindert. Während schwache Messungen eine theoretische Lösung bieten, indem sie die Störung minimieren (skalierend mit dem Quadrat der Messstärke), waren bisherige experimentelle Realisierungen auf Quantenhardware begrenzt. Diese verließen sich oft auf Postselektion, Frequenzbereichs-Mapping oder starke Verschränkungsoperationen, die die Messstärke nicht vollständig von der Störung entkoppelt haben. Darüber hinaus waren frühere Tests auf öffentlichen Quantencomputern auf projektive Messungen beschränkt, die im quantentechnischen Sinne nicht als nichtinvasiv gelten können.

Methodik
Die Autoren implementierten ein Protokoll zum Testen von LG-Ungleichungen und der Zeitordnungs-Invarianz mittels echter schwacher Messungen auf öffentlichen Quantengeräten von IBM Quantum (Eagle- und Heron-Generationen) und IonQ.

Schema der schwachen Messung: Das Experiment nutzt einen Positive Operator-Valued Measure (POVM)-Ansatz, bei dem das System mit einem Hilfs-Qubit („Meter“) interagiert. Die Interaktionsstärke wird durch einen Parameter $\lambda$ (oder Winkel $\theta$ ) gesteuert, sodass die Störung mit $\lambda^2$ skaliert, während der Informationsgewinn mit $\lambda$ skaliert.
Protokolle: Zwei verschiedene Protokolle wurden implementiert, um schwache Messungen zu realisieren:
1. Protokoll I: Basiert auf einer einzelnen Verschränkungsoperation (z. B. CX, CZ oder ECR) kombiniert mit einem spezifisch vorbereiteten Meter-Zustand ( $|\Omega_\theta\rangle$ ), der nahe einem Eigenzustand der Operation liegt. Dies minimiert die Invasivität, da die Operation das System unverändert lässt, wenn sich das Meter im idealen Zustand befindet.
2. Protokoll II: Verwendet zwei selbstumkehrende Verschränkungsoperationen (oder eine einzelne fraktionierte Gate), um eine Operation zu erzeugen, die nahe an der Identität liegt ( $U \approx 1$ ). Dieser Ansatz ist unabhängig vom initialen Meter-Zustand.
Hardware-Implementierung:
- IBM-Geräte: Die Autoren testeten 10 Sätze von 3-Qubit-Gruppen auf fünf Geräten (ibm_brisbane, ibm_sherbrooke, ibm_kyiv, ibm_torino, ibm_kingston). Sie verwendeten native Gates einschließlich ECR (Echoed Cross-Resonance) und – entscheidend – neue fraktionierte Gates ( $X_\theta$ , $RZZ_\theta$ ), die auf Heron-Geräten verfügbar sind, um die Messstärke fein abzustimmen.
- IonQ-Gerät: Eine einzelne 3-Qubit-Gruppe auf dem Forte Enterprise 1 wurde unter Verwendung der nativen All-to-All-Konnektivität und fraktionierten $RZZ$-Gates getestet.
Experimentelles Design: Der Test umfasst drei Observablen ( $A, B, C$ ). $A$ und $B$ werden schwach gemessen, während $C$ projektiv gemessen wird. Das Experiment vergleicht zwei Zeitordnungen: $A \to B \to C$ und $B \to A \to C$ . Um Drift und systematische Fehler zu mildern, sammelten die Autoren große Statistiken (bis zu 100.000 Shots auf IonQ) und berechneten die Differenz zwischen den Ergebnissen für positive und negative Messstärken ( $\theta = \pm 0,1$ ).

Wesentliche Beiträge

Erste echte nichtinvasive Verletzung auf öffentlicher Hardware: Diese Arbeit demonstriert die erste Verletzung der LG-Ungleichungen und der Zeitordnungs-Invarianz auf öffentlichen Quantencomputern unter Verwendung echter nichtinvasiver (schwacher) Messungen, ohne die Notwendigkeit der Postselektion.
Nutzung fraktionierter Gates: Die Autoren haben neu verfügbare fraktionierte Gates auf IBM Heron-Geräten evaluiert und deren Anwendbarkeit für schwache Messprotokolle nachgewiesen.
Statistische Rigorosität: Durch die Erhebung hinreichend großer Statistiken erreichten die Autoren Verletzungen, die 5 Standardabweichungen übersteigen, in fast allen getesteten Qubit-Sets, wobei viele 10 Standardabweichungen erreichten.
Hardware-Benchmarking: Die Studie etabliert schwache Messprotokolle als sensitiven Benchmark für Quantenhardware. Die Daten zeigten statistisch signifikante Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen, die die deklarierten Fehlerraten der Geräte übertrafen, was darauf hindeutet, dass schwache Messungen subtile Hardware-Imperfektionen detektieren können.

Ergebnisse

Leggett-Garg-Verletzung: Die Experimente bestätigten die Verletzung der LG-Ungleichung ( $\langle A \rangle + \langle B \rangle - \langle AB \rangle \leq 1$ ) auf den meisten Qubit-Gruppen. Die beobachteten Werte überschritten das klassische Limit von 1 und näherten sich dem quantentheoretischen Maximum von $\sqrt{2}$ an.
Zeitordnungs-Verletzung: Die Experimente zeigten, dass Quantenkorrelationen von der Messreihenfolge abhängen ( $\langle ABC \rangle \neq \langle BAC \rangle$ ), was die klassische Annahme der Zeitordnungs-Invarianz verletzt. Die Differenz $\langle ABC \rangle - \langle BAC \rangle$ war beobachtbar nicht Null, was konsistent mit der theoretischen Vorhersage von $1/2$ ist.
Geräteleistung:
- IBM Eagle: Zeigte konsistente Verletzungen über die meisten Qubit-Gruppen hinweg unter Verwendung von ECR- und CZ-Gates.
- IBM Heron: Die Ergebnisse variierten; während Zeitordnungs-Verletzungen konsistent waren, waren LG-Verletzungen eher sporadisch (z. B. passierte nur eine Gruppe auf torino, während mindestens fünf auf kingston bestanden).
- IonQ: Zeigte Verletzungen sowohl der LG- als auch der Zeitordnungs-Invarianz, wobei einige Ergebnisse sogar die theoretischen Quantenerwartungen übertrafen. Die Autoren führen dies auf eine potenzielle Fehlkalibrierung der fraktionierten Gate-Winkel zurück und merken an, dass eine Abweichung von etwa 5 % diesen Diskrepanz erklären könnte.
Verifizierung der Nichtinvasivität: Die Autoren verifizierten die Nichtinvasivität der Messung, indem sie zeigten, dass die Korrelationen signifikant von denen projektiver Messungen abweichen. Die Daten stimmten qualitativ und quantitativ mit dem Modell der schwachen Störung überein.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass diese Fortschritte öffentliche Quantencomputer in praktische Testfelder zur Untersuchung fundamentaler Fragen von Realismus und zeitlicher Ordnung mit beispielloser Zugänglichkeit und Präzision verwandeln. Durch die erfolgreiche Implementierung schwacher Messungen ohne Postselektion demonstrieren die Autoren, dass öffentliche Quantenhardware genutzt werden kann, um die Grenzen des klassischen Realismus zu testen.

Die Autoren bleiben bescheiden hinsichtlich der Interpretation der Hardware-Abweichungen. Sie räumen ein, dass die signifikanten Verletzungen zwar vorhanden sind, die großen Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen (die die deklarierten Fehlerraten übersteigen) jedoch eine dringende Erklärung erfordern, und schlagen vor, dass schwache Messprotokolle als hochsensibler Benchmark für die Kalibrierung von Quantenhardware dienen. Sie behaupten nicht, das Problem der Invasivität vollständig gelöst zu haben, betonen aber, dass das „grenzwertige Verhalten“ ihrer schwachen Messungen die Behauptung der Nichtinvasivität im Kontext des Experiments rechtfertigt. Die Arbeit hebt sowohl den Fortschritt der Quantenhardware (z. B. IonQ und IBM Heron) als auch die verbleibenden Herausforderungen bei der Gate-Kalibrierung und Fehlerminimierung hervor.