Forschung zu Wigners Freund und Inter-Branch Kommunikation auf supraleitenden Quantencomputern

Die Grundlagen der Quantenmechanik werfen seit Jahrzehnten tiefgreifende Fragen über die Natur der Realität und die Rolle des Beobachters auf. Ein besonders faszinierendes Gedankenexperiment, das als "Wigners Freund" bekannt ist, untersucht diese Fragen, indem es die Perspektiven verschiedener Beobachter in einem Quantensystem betrachtet. Eine aktuelle Forschungsarbeit mit dem Titel "Wigner's Friend as a Circuit: Inter-Branch Communication Witness Benchmarks on Superconducting Quantum Hardware" befasst sich mit einer experimentellen Implementierung dieses Szenarios auf supraleitenden Quantencomputern und liefert wichtige Einblicke in die operationale Verifikation quantenmechanischer Prinzipien unter realen Bedingungen.

Das Wigner-Freund-Gedankenexperiment und seine Erweiterungen

Das ursprüngliche Wigner-Freund-Gedankenexperiment, das von Eugene Wigner in den 1960er Jahren formuliert wurde, beleuchtet die Schwierigkeiten bei der Anwendung der Quantentheorie auf Beobachter. Es stellt die Frage, ob ein externer Beobachter (Wigner) ein Labor, in dem ein Freund (der Wigner-Freund) eine Quantenmessung durchführt, als ein unitär evolvierendes Quantensystem beschreiben sollte, oder ob die Messung des Freundes einen "Kollaps" der Wellenfunktion bewirkt. Diese Ambiguität führt zu unterschiedlichen Beschreibungen der Realität, je nach Perspektive des Beobachters.

Neuere Arbeiten haben das Wigner-Freund-Szenario erweitert, um komplexere Situationen mit mehreren Beobachtern und Freunden zu untersuchen, bekannt als "Extended Wigner's Friend Scenarios" (EWFS). Diese Szenarien zielen darauf ab, grundlegende Annahmen über die Realität, wie die "Absolutheit beobachteter Ereignisse" (d.h., dass jedes beobachtete Ereignis für alle Beobachter gleich ist) und die "lokale Handlungsfreiheit" (d.h., dass freie Entscheidungen nicht mit Ereignissen außerhalb ihres zukünftigen Lichtkegels korreliert sind), experimentell zu testen.

"Inter-Branch Communication Witnesses" und ihre Bedeutung

Die vorliegende Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Implementierung und Bewertung von sogenannten "Inter-Branch Communication Witnesses" (IBCW) auf supraleitender Quantenhardware. Diese Zeugen sind Korrelationen in klassischen Messergebnissen, die durch speziell entwickelte Wigner-Freund-ähnliche Schaltkreise entstehen. Sie dienen dazu, die Kommunikation zwischen verschiedenen "Zweigen" eines Quantenmultiversums zu untersuchen – ein Konzept, das in einigen Interpretationen der Quantenmechanik, wie der Viele-Welten-Interpretation, eine Rolle spielt.

Die Idee hinter IBCW ist, dass Operationen auf einem superponierten "Freund"-Register einen bedingten Nachrichtentransfer zwischen zustandsbedingten internen Zuständen ermöglichen können. Interferenzeffekte zwischen diesen Zweigen, falls vorhanden, sollten sich in spezifischen Korrelationen manifestieren, die durch geeignete Observablen nachweisbar sind. Das von Maria Violaris vorgeschlagene Protokoll bietet eine konkrete Schaltungsvorlage, die für heutige Quantenprozessoren geeignet ist.

Experimentelle Implementierung auf IBM Quantum Hardware

Das Forschungsteam hat eine Fünf-Qubit-Instanz des IBCW-Protokolls auf IBM Quantum Hardware implementiert. Dabei wurde das Protokoll als ein "Inter-Register Message-Transfer"-Muster innerhalb einer einzelnen Schaltung realisiert, anstatt physische Signalübertragungen zu nutzen. Dies ermöglichte die Bewertung des Verhaltens des Protokolls unter realistischen Gerätegeräuschen und Kompilierungsbeschränkungen. Die Schaltung kodiert eine zweigbedingte Evolution eines Beobachter-Teilsystems, dessen Dynamik von einem Kontroll-Qubit abhängt, gefolgt von einer kontrollierten Transferoperation, die Korrelationen zwischen bedingten Messkontexten abfragt.

Die Experimente wurden auf dem "ibm_fez"-Backend mit 20.000 Aufnahmen durchgeführt. Die gemessenen Metriken umfassten:

- Eine populationsbasierte Sichtbarkeit von 0,877. - Kohärenz-Zeugen von 0,840 und -0,811 entlang orthogonaler Achsen. - Eine phasensensitive Amplitude von ungefähr 1,17.

Diese Werte zeigen eine Degradation im Vergleich zu idealen Vorhersagen, was mit dem Geräusch der Hardware übereinstimmt. Die Kohärenz-Zeugen sind dabei besonders wichtig, da sie im Gegensatz zur reinen Sichtbarkeit auch empfindlich auf nicht-diagonale Rauscheffekte reagieren. Die Ergebnisse sind konsistent mit einer unitären Evolution plus Gerätegeräusch, und es wurden keine anomalen Abweichungen beobachtet, die auf nicht-unitäre Physik hindeuten würden.

Analytische Tiefe und objektive Berichterstattung

Es ist entscheidend zu betonen, dass diese Arbeit nicht dazu dient, Interpretationen der Quantenmechanik zu testen oder zu diskriminieren. Vielmehr bietet sie eine reproduzierbare operationale Pipeline, um die Detektierbarkeit nicht-idealer Kanäle relativ zu kalibriertem Gerätegeräusch zu bewerten. Das begleitende Reproduzierbarkeitspaket liefert vollständige Herkunftsinformationen, einschließlich Job-IDs, Kalibrierungs-Snapshots und Softwareversionen, um eine unabhängige Überprüfung und Erweiterung zu ermöglichen.

Nicht-unitäre Kanal-Einschränkungspipeline

Ein wichtiger Aspekt der Studie ist die Entwicklung einer Methodik zur Einschränkung parametrisierter Nicht-Unitär-Kanalfamilien. Dies beinhaltet:

- Kanalfamilie: Definition einer parametrisierten Kanalfamilie (z.B. Dephasierung) und Spezifikation des Einfügepunkts in der Schaltung. - Vorhersageabweichungskurven: Simulation der Schaltung mit dem eingefügten Kanal und Berechnung der vorhergesagten Werte für Sichtbarkeit und Kohärenz-Zeugen. - Detektierbarkeitsschwelle: Bestimmung, wann eine Kanalstärke "detektierbar" ist, basierend auf der Überschreitung des kombinierten Unsicherheitsbandes. - Einschränkung: Die beobachteten Hardwarewerte beschränken die Kanalstärke auf einen maximalen Wert, der die Detektierbarkeitsschwelle darstellt.

Diese Methodik ermöglicht es, spezifische nicht-unitäre Störungen im Verhältnis zu den Rauschgrenzen der Hardware zu begrenzen, ohne sich auf interpretative Annahmen zu verlassen.

Ausblick und zukünftige Forschungsrichtungen

Die vorliegende Arbeit dient als Machbarkeitsnachweis auf supraleitenden Qubits. Zukünftige Studien zielen darauf ab, dasselbe "Inter-Branch Message-Transfer"-Primitiv über verschiedene Quantencomputing-Modalitäten hinweg zu replizieren – darunter Gatter-Modell-Supraleiter und Ionenfallen, neutrale Atom-Analog-Plattformen und Photonik. Ziel ist es, eine "Kompilierungssteuer" (z.B. Tiefen-/Zwei-Qubit-Gatter-Overhead und Fidelity-Verlust) zu quantifizieren und ein verallgemeinertes Skalierungsgesetz für die Realisierung von Inter-Branch-Kommunikationsprimitiven unter realistischen Hardware-Beschränkungen zu entwickeln.

Die Forschung im Bereich der Wigner-Freund-Szenarien und der Inter-Branch-Kommunikation ist von großer Bedeutung für das Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik und ihrer Grenzen. Die Fähigkeit, solche komplexen Gedankenexperimente auf realer Quantenhardware zu implementieren und zu bewerten, ebnet den Weg für neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und der Entwicklung robusterer Quantentechnologien.

Bibliography

- Altman, C. (2026). Wigner's Friend as a Circuit: Inter-Branch Communication Witness Benchmarks on Superconducting Quantum Hardware. arXiv preprint arXiv:2601.16004. - Violaris, M. (2026). Quantum observers can communicate across multiverse branches. arXiv preprint arXiv:2601.08102. - Vilasini, V., & Woods, M. P. (2024). A general quantum circuit framework for Extended Wigner’s Friend Scenarios: logically and causally consistent reasoning without absolute measurement events. arXiv preprint arXiv:2209.09281. - Zeng, W. J., Labib, F., & Russo, V. (2024). Towards violations of Local Friendliness with quantum computers. arXiv preprint arXiv:2409.15302. - Sokolovski, D., & Matzkin, A. (2021). Wigner’s Friend Scenarios and the Internal Consistency of Standard Quantum Mechanics. Entropy, 23(9), 1186.