[论文解读] Measuring the Mermin-Peres magic square using an online quantum computer
该论文首次在公开可访问的在线五量子比特量子计算机上实现了Mermin-Peres魔术方阵互补性测试。通过在两量子比特系统上进行顺序的非摧毁性测量，实验结果以约28个标准差的显著性违反了经典实在论和非互补性模型，尽管当前NISQ设备存在显著噪声，仍证实了量子力学的非经典性质。
We have implemented the six series of three commuting measurement of the Mermin-Peres magic square on an online, five qubit, quantum computer. The magic square tests if the measurements of the system can be described by physical realism (in the EPR sense) and simultaneously are non-contextual. We find that our measurement results violate any realistic and non-contextual model by almost 28 standard deviations. We also find that although the quantum computer we used for the measurements leaves much to be desired in producing accurate and reproducible results, the simplicity, the ease of re-running the measurement programs, and the user friendliness compensates for this fact.
研究动机与目标
- 在公开可访问的量子计算机上，利用Mermin-Peres魔术方阵测试量子互补性与实在论。
- 评估通过在线量子计算平台执行复杂量子互补性实验的可行性与准确性。
- 评估当前噪声中等规模量子（NISQ）设备在实现与状态无关的互补性测试方面的性能。
- 证明用户友好的远程量子硬件访问可使无需专业实验室基础设施的先进基础量子物理实验成为可能。
提出的方法
- 在五量子比特在线量子计算机上，利用顺序的非摧毁性测量，实现了3×3的两量子比特泡利可观测量矩阵的Mermin-Peres魔术方阵。
- 执行了六组三重相互对易测量，每组对应魔术方阵的一行或一列，测量结果被限制为±1。
- 采用量子非摧毁性（QND）测量技术，在连续测量之间保持量子态，依赖于辅助量子比特的纠缠。
- 在多次运行中收集测量结果（每个电路通常运行8000至10000次），并通过统计分析计算平均结果向量与标准差。
- 利用Delaunay三角剖分和约束非线性优化，构建了在实在论与非互补性下所有经典允许结果向量的凸包，以找到最接近实测结果向量的点。
- 计算实测结果向量与凸包上最近点之间的欧几里得距离，并通过标准差球体进行归一化，以确定违反的统计显著性。
实验结果
研究问题
- RQ1Mermin-Peres魔术方阵互补性测试能否在公开可用的在线量子计算机上成功实现？
- RQ2当前噪声中等规模量子（NISQ）设备在互补性测试中产生与量子力学预测一致结果的程度如何？
- RQ3在真实世界、噪声显著的量子计算环境中，对经典实在论与非互补性模型的统计违反程度有多显著？
- RQ4在线量子计算机的简便性与可访问性在多大程度上可以弥补其硬件缺陷，以支持基础量子实验？
主要发现
- 实验以约27.8个标准差的显著性违反了任何经典实在论与非互补性模型，实测结果与经典凸包的距离为0.4029。
- 标准差球体半径计算为0.0145，为测量不确定性提供了保守的误差估计。
- 约10–30%的程序运行结果与量子预测不一致，原因包括退相干、门保真度不足和读出误差，凸显了当前NISQ设备中的噪声水平。
- 尽管存在硬件缺陷，结果仍强烈支持量子力学，并排除了局域、实在论与非互补性模型。
- 本研究证实，尽管存在噪声，在线量子计算机已足够用于测试如互补性等基础量子现象。
- 在线量子平台的用户友好性、可重用性与远程可访问性，显著抵消了其技术局限性，使其在基础物理实验中更具实用性。
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