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

Cet article démontre la première violation des inégalités de Leggett-Garg et de la non-invariance de l'ordre temporel sur des ordinateurs quantiques publics en utilisant des mesures non invasives authentiques, en exploitant de nouvelles portes fractionnaires pour établir des protocoles de mesure faible comme des bancs d'essai sensibles qui révèlent des écarts statistiquement significatifs par rapport aux prédictions théoriques au-delà des taux d'erreur déclarés des disposités.

Auteurs originaux : Tomasz Rybotycki, Tomasz Białecki, Josep Batle, Bartłomiej Zglinicki, Adam Szereszewski, Wolfgang Belzig, Adam Bednorz

Publié 2026-01-29

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Tomasz Rybotycki, Tomasz Białecki, Josep Batle, Bartłomiej Zglinicki, Adam Szereszewski, Wolfgang Belzig, Adam Bednorz

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'idée principale : Jeter un coup d'œil sans toucher

Imaginez que vous avez une toupie très délicate qui tourne. Dans le monde classique, si vous voulez savoir dans quel sens elle tourne, il vous suffit de la regarder. Vos yeux ne changent pas vraiment sa rotation.

Mais dans le monde quantique (le monde des particules minuscules comme les atomes), regarder quelque chose est un acte violent. Si vous essayez de « regarder » une particule quantique pour voir son état, vous allez généralement la renverser ou changer sa direction. C'est ce qu'on appelle une mesure projective. C'est comme essayer de vérifier la température d'une tasse de café en y enfonçant un thermomètre géant et glacé ; l'acte de mesurer change le café.

Pendant longtemps, les scientifiques ont voulu tester une règle spécifique appelée l'Inégalité de Leggett-Garg. Cette règle demande : Un objet quantique possède-t-il un état défini même quand nous ne le regardons pas ? (C'est le concept de « réalisme »). Pour tester cela, il faut pouvoir jeter un coup d'œil à l'objet à différents moments sans changer sa trajectoire. Mais comme un « coup d'œil » normal modifie l'objet, le test était impossible à réaliser proprement.

La solution : Le toucher « fantomatique »

Cet article décrit une équipe qui a enfin réalisé ce test sur des ordinateurs quantiques publics (comme ceux que l'on peut louer en ligne via IBM et IonQ). Ils ont utilisé une technique appelée Mesure Faible (Weak Measurement).

Considérez une mesure faible comme un toucher fantomatique.

Mesure normale : Un coup de poing puissant qui renverse la toupie.
Mesure faible : Une brise légère qui pousse à peine la toupie. Elle est si légère que la toupie continue de tourner presque de la même manière, mais la brise transporte une infime quantité d'informations sur la rotation.

Le hic ? Une seule brise est trop faible pour vous apprendre grand-chose. Il faut ressentir la brise des milliers de fois et faire la moyenne des résultats pour obtenir une image claire. L'équipe a fait exactement cela, en rassemblant des quantités massives de données pour observer le motif « fantomatique ».

L'expérience : Le test du voyage dans le temps

Les chercheurs ont mis en place un jeu en trois étapes impliquant une particule quantique et deux capteurs « fantomatiques » (appelons-les Capteur A et Capteur B), suivis d'une vérification finale (Capteur C).

La configuration : Ils ont préparé une particule quantique dans un état spécifique.
Le test : Ils ont mesuré la particule avec le Capteur A, puis le Capteur B, puis le Capteur C.
Le rebondissement : Ils ont également réalisé l'expérience dans l'ordre inverse : Capteur B, puis Capteur A, puis Capteur C.

Dans notre monde quotidien, l'ordre des événements ne devrait pas importer si vous observez simplement avec douceur. Si vous vérifiez la météo le matin puis l'après-midi, cela ne devrait pas importer si vous dites « Matin puis Après-midi » ou « Après-midi puis Matin » — les données devraient être les mêmes. C'est ce qu'on appelle l'Invariance de l'ordre temporel.

Ce qu'ils ont trouvé

Les résultats ont été choquants et ont confirmé que le monde quantique est très étrange :

Rupture des règles (Violation de Leggett-Garg) : Les données ont montré que la particule n'avait pas d'état défini avant qu'ils ne la regardent. Les mesures « fantomatiques » ont révélé que la réalité de la particule était créée par l'acte même de la mesurer. Ils ont violé l'inégalité de Leggett-Garg avec une marge énorme (plus de 5 à 10 fois le taux d'erreur attendu).
L'ordre compte (Violation de l'ordre temporel) : Lorsqu'ils ont inversé l'ordre des capteurs (A puis B contre B puis A), les résultats étaient complètement différents. Dans le monde quantique, la séquence des « touches légères » change le résultat. C'est comme si vérifier la météo l'après-midi avant le matin changeait réellement la météo du matin.

Le matériel : Des ordinateurs publics

L'équipe n'a pas construit une machine de laboratoire spéciale. Ils ont utilisé des ordinateurs quantiques publics disponibles sur Internet (IBM et IonQ).

Ils ont testé sur 10 groupes différents de circuits de 3 qubits à travers 5 appareils différents.
Ils ont utilisé de nouveaux « portes fractionnaires » spécialisées (qui sont comme des variateurs d'intensité pour les opérations quantiques) pour créer ces mesures faibles et douces.
Ils ont constaté que bien que les ordinateurs soient bruyants (comme une pièce avec beaucoup de brouhaha en arrière-plan), le signal était si fort qu'ils pouvaient toujours clairement voir l'étrangeté quantique.

La conclusion

L'article affirme qu'ils ont réussi à utiliser des ordinateurs quantiques publics pour prouver deux choses :

Les objets quantiques n'ont pas une réalité fixe jusqu'à ce qu'ils soient mesurés (violation du « macroréalisme »).
L'ordre dans lequel vous mesurez doucement un système quantique importe (violation de l'« invariance de l'ordre temporel »).

Ils ont fait cela sans « figer » le système ou le détruire avec des mesures fortes, prouvant que ces machines publiques sont désormais assez puissantes pour tester les questions les plus profondes, voire philosophiques, sur la façon dont la réalité fonctionne.

Résumé technique : Test de l'ordre temporel et des inégalités de Leggett-Garg par des mesures non invasives sur des ordinateurs quantiques publics

Énoncé du problème
La mécanique quantique remet en question les intuitions classiques concernant le réalisme et l'ordre temporel, notamment à travers la violation du réalisme local et de l'inégalité de Leggett-Garg (LG). L'inégalité de LG, dérivée des hypothèses de macroréalisme et de non-invasivité, postule que les résultats de mesure ne devraient pas dépendre de l'ordre d'observation si le système n'est pas perturbé. Cependant, les mesures projectives standards sont intrinsèquement invasives, provoquant souvent un gel de la dynamique du système (effet Zénon quantique) ou perturbant l'évolution ultérieure, ce qui empêche un véritable test de la non-invasivité. Bien que les mesures faibles offrent une solution théorique en minimisant la perturbation (proportionnelle au carré de la force de la mesure), les réalisations expérimentales précédentes sur le matériel quantique ont été limitées. Elles reposaient souvent sur la post-sélection, la cartographie dans le domaine fréquentiel ou des opérations d'intrication fortes qui ne permettaient pas de découpler pleinement la force de la mesure de la perturbation. De plus, les tests précédents sur les ordinateurs quantiques publics étaient restreints aux mesures projectives, lesquelles ne peuvent être considérées comme non invasives au sens quantique.

Méthodologie
Les auteurs ont implémenté un protocole pour tester les inégalités de LG et l'invariance de l'ordre temporel en utilisant de véritables mesures faibles sur des dispositifs quantiques publics d'IBM Quantum (générations Eagle et Heron) et IonQ.

Schéma de mesure faible : L'expérience utilise une approche de mesure de type POVM (Positive Operator-Valued Measure) où le système interagit avec un qubit auxiliaire nommé « compteur » (meter). La force d'interaction est contrôlée par un paramètre $\lambda$ (ou un angle $\theta$ ), de telle sorte que la perturbation évolue en $\lambda^2$ tandis que le gain d'information évolue en $\lambda$ .
Protocoles : Deux protocoles distincts ont été mis en œuvre pour réaliser les mesures faibles :
1. Protocole I : Repose sur une opération d'intrication unique (par exemple, CX, CZ ou ECR) combinée à un état de compteur ( $|\Omega_\theta\rangle$ ) spécifiquement préparé, proche d'un état propre de l'opération. Cela minimise l'invasivité en garantissant que l'opération laisse le système inchangé si le compteur est dans l'état idéal.
2. Protocole II : Utilise deux opérations d'intrication auto-réversibles (ou une seule porte fractionnaire) pour créer une opération proche de l'identité ( $U \approx 1$ ). Cette approche est indépendante de l'état initial du compteur.
Implémentation matérielle :
- Dispositifs IBM : Les auteurs ont testé 10 ensembles de groupes de 3 qubits sur cinq dispositifs (ibm_brisbane, ibm_sherbrooke, ibm_kyiv, ibm_torino, ibm_kingston). Ils ont employé des portes natives, notamment l'ECR (Echoed Cross-Resonance) et, de manière cruciale, de nouvelles portes fractionnaires ( $X_\theta$ , $RZZ_\theta$ ) disponibles sur les dispositifs Heron pour affiner la force de la mesure.
- Dispositif IonQ : Un groupe de 3 qubits sur le dispositif Forte Enterprise 1 a été testé en utilisant la connectivité totale (all-to-all) native et des portes $RZZ$ fractionnaires.
Conception expérimentale : Le test implique trois observables ( $A, B, C$ ). $A$ et $B$ sont mesurées faiblement, tandis que $C$ est mesurée de manière projective. L'expérience compare deux ordres temporels : $A \to B \to C$ et $B \to A \to C$ . Pour atténuer la dérive et les erreurs systématiques, les auteurs ont collecté des statistiques importantes (jusqu'à 100 000 tirages sur IonQ) et ont calculé la différence entre les résultats pour les forces de mesure positives et négatives ( $\theta = \pm 0,1$ ).

Contributions clés

Première violation réelle de la non-invasivité sur du matériel public : Ce travail démontre la première violation des inégalités de LG et de l'invariance de l'ordre temporel sur des ordinateurs quantiques publics en utilisant de véritables mesures faibles (non invasives), évitant ainsi le recours à la post-sélection.
Utilisation de portes fractionnaires : Les auteurs ont évalué les nouvelles portes fractionnaires disponibles sur les dispositifs IBM Heron, montrant leur applicabilité pour les protocoles de mesure faible.
Rigueur statistique : En recueillant des statistiques suffisamment larges, les auteurs ont obtenu des violations dépassant 5 écarts-types dans presque tous les ensembles de qubits testés, beaucoup atteignant même 10 écarts-types.
Évaluation du matériel (Benchmarking) : L'étude établit les protocoles de mesure faible comme un banc d'essai sensible pour le matériel quantique. Les données ont révélé des écarts statistiquement significatifs par rapport aux prédictions théoriques qui excédaient les taux d'erreur déclarés des dispositifs, suggérant que les mesures faibles peuvent détecter de subtiles imperfections matérielles.

Résultats

Violation de l'inégalité de Leggett-Garg : Les expériences ont confirmé la violation de l'inégalité de LG ( $\langle A \rangle + \langle B \rangle - \langle AB \rangle \leq 1$ ) sur la plupart des groupes de qubits. Les valeurs observées ont dépassé la limite classique de 1, approchant le maximum théorique quantique de $\sqrt{2}$ .
Violation de l'ordre temporel : Les expériences ont démontré que les corrélations quantiques dépendent de l'ordre de la mesure ( $\langle ABC \rangle \neq \langle BAC \rangle$ ), violant l'hypothèse classique d'invariance de l'ordre temporel. La différence $\langle ABC \rangle - \langle BAC \rangle$ a été observée comme étant non nulle, ce qui est cohérent avec la prédiction théorique de $1/2$ .
Performance des dispositifs :
- IBM Eagle : A montré des violations constantes à travers la plupart des groupes de qubits en utilisant les portes ECR et CZ.
- IBM Heron : Les résultats ont varié ; bien que les violations de l'ordre temporel soient constantes, les violations de LG étaient plus sporadiques (par exemple, seul un groupe sur torino a réussi, tandis qu'au moins cinq sur kingston ont réussi).
- IonQ : A montré des violations de l'inégalité de LG et de l'invariance de l'ordre temporel, certains résultats dépassant même les attentes quantiques théoriques. Les auteurs attribuent cet excès à une potentielle erreur de calibration des angles des portes fractionnaires, notant qu'un écart de ~5 % pourrait expliquer la divergence.
Vérification de la non-invasivité : Les auteurs ont vérifié que la mesure était non invasive en montrant que les corrélations différaient de manière significative de celles obtenues via des mesures projectives. Les données concordent qualitativement et quantitativement avec le modèle de perturbation faible.

Signification et affirmations
L'article affirme que ces avancées transforment les ordinateurs quantiques publics en bancs d'essai pratiques pour sonder les questions fondamentales de réalisme et d'ordre temporel avec une accessibilité et une précision sans précédent. En réussissant à implémenter des mesures faibles sans post-sélection, les auteurs démontent que le matériel quantique public peut être utilisé pour tester les limites du réalisme classique.

Les auteurs restent modestes quant à l'interprétation des écarts matériels. Ils reconnaissent que, bien que les violations soient significatives, les écarts importants par rapport aux prédictions théoriques (dépassant les taux d'erreur déclarés) nécessitent une explication urgente et suggèrent que les protocoles de mesure faible servent de banc d'essai hautement sensible pour la calibration du matériel quantique. Ils ne prétendent pas avoir entièrement résolu le problème de l'invasivité, mais soulignent que le « comportement limite » de leurs mesures faibles justifie la revendication de non-invasivité dans le contexte de l'expérience. Ce travail met en lumière tant les progrès du matériel quantique (par exemple, IonQ et IBM Heron) que les défis persistants en matière de calibration de porte et de mitigation d'erreurs.