Quantenvorteilsanspruch – Quantenverstriche verleiht den Spielern einen erheblichen Vorsprung im strategischen Spiel

Insider Brief

• Die Forscher zeigten im Spiel mit ungeraden Zyklus einen Quantenvorteil, in dem verwickelte Partikel den Spielern die besten klassischen Strategien übertreffen konnten.
• Das mit eingeschlossene Ionen durchgeführte Experiment überschritt die klassische Grenze durch 26 Standardabweichungen und bestätigte einen statistisch signifikanten Quantenvorteil.
• Die Ergebnisse haben potenzielle Anwendungen in der Quantenkryptographie, in der künstlichen Intelligenz und in der sicheren Kommunikation, die reale Relevanz über die grundlegende Physik nachweisen.

Wissenschaftler behaupten, sie hätten in einem strategischen Spiel einen Quantenvorteil gezeigt und zeigen, dass zwei Spieler, die verwickelte Partikel verwenden, die beste klassische Strategie mit einem statistisch signifikanten Rand übertreffen können.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Physische Überprüfungsbriefegeben Sie neue Beweise dafür, dass die Quantenmechanik bei bestimmten Aufgaben überlegene Leistung ermöglicht, selbst wenn die Spieler getrennt sind und nicht kommunizieren können.

“Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass der Quantenvorteil auf greifbare Weise gezeigt und erklärt wird und einem nicht spezifischen Publikum zugänglich ist”, sagte der Hauptautor Peter Drmota, Universität Oxford, laut Physik APS.

So näherten sich die Forscher dem Problem: Das Team hat ein Experiment entwickelt, das das Spielerspiel-Zyklus-Spiel testete, ein theoretisches Szenario, in dem zwei Spieler in einer Sequenz ohne direkte Koordination Farben zuweisen müssen. Forscher der University of Oxford und der University of Sevilla verwendeten ein Paar eingeschlossener Ionen, die von etwa zwei Metern getrennt waren, um eine optimale Quantenstrategie umzusetzen. Ihr Ansatz führte zu einer Gewinnwahrscheinlichkeit, die die klassische Grenze um 26 Standardabweichungen überstieg, was den Quantenvorteil unter lückenfreien Bedingungen bestätigte.

Um dies in die richtige Perspektive zu rücken, wird ein Ergebnis, das fünf Standardabweichungen über den Erwartungen entspricht, in der Regel als wichtige wissenschaftliche Entdeckung angesehen, da es einer 1 -in -3,5 -Millionen -Wahrscheinlichkeit entspricht, ein zufälliger Zufall zu sein. Ein Ergebnis der 26-Standard-Deviation ist astronomisch bedeutender-wie ein Basketballspieler, der 26.000 Freiwürfe in Folge macht, ohne zu fehlen, was es praktisch unmöglich macht, dass dies allein durch Zufall geschieht.

Die Studie führte auch einen verwandten Glockentest durch, in dem ein nichtlokaler Gehalt von 0,54 gemessen wurde – der höchste, der jemals in physikalisch getrennten Geräten beobachtet wurde, die die Erkennungslücke beseitigen. Diese Metrik quantifiziert, wie sehr das Verhalten eines Systems von den klassischen Erwartungen abweicht.

Wie das Experiment funktioniert hat

Das Spiel mit ungeraden Zyklus umfasst zwei Spieler, die jeweils eine Eingabe von einem Schiedsrichter erhalten und eine Ausgabe zurückgeben, die auf Vorschriften beruht. Die Herausforderung besteht darin, dass klassische Strategien aufgrund der Einschränkungen eines ungeraden Zyklus immer einen unvermeidbaren Fall-Fall hinterlassen.

Um diese Einschränkung zu überwinden, verteilten die Forscher die Quantenverdünnung zwischen zwei Atomionen. Vor jeder Runde teilten die Spieler einen verwickelten Staat, eine Quantenverbindung, die es ihnen ermöglichte, ihre Antworten auf eine Weise nach klassischen Regeln zu korrelieren. Bei der Messung produzierten diese verwickelten Ionen korrelierte Ausgänge, die ihre Gewinnchancen verbesserten.

Das Experiment wurde mit eingeschlossenen Strontiumionen durchgeführt, einer etablierten Plattform für Quantennetzwerke. Die Ionen wurden mit Lasern manipuliert, um Verstrickung zu erzeugen, die vor jeder Spielrunde verifiziert wurde. Die Spieler galten dann unabhängig die Quantenoperationen anhand ihrer zugewiesenen Eingaben und zeichneten ihre Ergebnisse auf.

Um Fairness zu gewährleisten, verwendete das Experiment eine Zustandsmaschine, die den Zeitpunkt der Eingänge und Messungen steuerte. Dieser Ansatz beseitigte Lücken und verhinderte, dass externe Interferenzen oder verborgene Verzerrungen die Ergebnisse beeinflussen. Das Team führte 101.000 Runden des Spiels durch und lieferte eine robuste statistische Bestätigung des Quantenvorteils.

Warum ist es wichtig

Ein Malvorlagen mag wie Kinder mit Kindern erscheinen, aber dies hat laut dem Team wichtige Auswirkungen. Quantenvorteil – die Fähigkeit von Quantensystemen, klassische zu übertreffen – war Gegenstand erheblicher Debatten, insbesondere in Fällen, in denen klassische Rechengrenzen nicht gut verstanden werden. Frühere Demonstrationen, wie die Quantenvorherrschaft bei der Stichproben von Zufallskreis, stützten sich auf komplexe Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die schwer zu überprüfen sind. Kritiker haben berechnet, dass Quantencomputer besonders geschickt in der Lösung von zufälligen Schaltungsabtastungen sind, ein wenig wie zufällig einen Pfeil werfen und dann das Bullseye dort herum zeichnen, wo es gelandet ist.

Das Spiel mit ungeraden Zyklus bietet jedoch einen klaren, intuitiven Rahmen, um zu zeigen, wie Quantenstrategien klassische Alternativen übertreffen, ohne umfangreiche mathematische Beweise zu erfordern.

Die Forscher argumentieren, dass solche Spiele in Szenarien, in denen klassische Grenzen leicht verstanden werden können, starke Belege für den Quantenvorteil liefern.

„In diesem Brief präsentieren wir eine Erkenntnis der optimalen Quantenstrategie, um dieses Spiel zu gewinnen“, schreibt das Team. „Unsere Umsetzung erfüllt ((iii), das ist machbar, (iv) eine treue Umsetzung des Problems und (v), dessen Ergebnis sofort Skeptiker überzeugen wird), da das Spiel von unabhängigen, physisch getrennten Spielern gespielt wird und ist und ist frei von Lücken (sind keine zusätzlichen Annahmen erforderlich) “

Potenzielle praktische Anwendungen

Während das Experiment als grundlegender Test der Quantenmechanik konzipiert wurde, hat es erhebliche Auswirkungen auf praktische Anwendungen. Quantenverstärkte Entscheidungsstrategien könnten in Bereichen wie sicheren Abstimmungsprotokollen, Problemen mit Ressourcenallokation und strategischer Planung in Echtzeit angewendet werden, wenn die Kommunikation eingeschränkt ist.

Die Prinzipien, die auch im Spiel mit ungeraden Zyklus gezeigt werden, könnten die Quantenkryptographie verbessern, indem sie neue Möglichkeiten zur Überprüfung der sicheren Quantenschlüsselverteilung bieten. Wenn die Verwicklungsprotokolle verfeinert werden können, können Wissenschaftler robustere Verschlüsselungsmethoden entwickeln, die klassische Ansätze übertreffen.

Wir könnten über die Kryptographie hinaus spekulieren. Zum Beispiel ist es denkbar, dass Verspannungsbasis künstliche Intelligenz- und Optimierungsprobleme zugute kommen könnte, wenn verteilte Agenten ohne direkte Kommunikation arbeiten müssen. Bei Logistik- und Lieferkettenmanagement können beispielsweise Quantenstrategien Unternehmen es ermöglichen, Aktionen effektiver zu koordinieren, ohne sensible Daten auszutauschen.

Einschränkungen und zukünftige Forschungsrichtungen

Während die Ergebnisse den Quantenvorteil bestätigen, erkennen die Forscher an, dass ihre Implementierung durch experimentelle Unvollkommenheiten eingeschränkt bleibt. Die beobachtete Gewinnwahrscheinlichkeit erreichte 97,8% der theoretischen Quantengrenze, wobei die Diskrepanz dem Restrauschen im System zugeschrieben wurde.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass einige frühere Quantenvorteil -Experimente von Forschungsteams unter Verwendung klassischer Algorithmen und Hardware übertroffen wurden.

Zukünftige Arbeiten könnten die Skalierung des Systems beinhalten, indem die Anzahl der verwickelten Qubits erhöht oder komplexere nichtlokale Spiele getestet werden. Die Forscher heben potenzielle Anwendungen ihres Ansatzes in praktischen Szenarien wie sichern Kommunikation und verteiltem Quantencomputer hervor.

In einem separaten Test führten sie eine Variante des Spiels durch, bei der die Spieler ihre Eingaben unabhängig ausgewählt haben, und bestätigten, dass ihr Setup bekannte Lücken in Glockenungleichheitsexperimenten schließt. Das Erreichen der vollen räumlichen Trennung – sicherzustellen, dass Messungen sich selbst im Prinzip nicht gegenseitig beeinflussen können, scheint eine offene Herausforderung zu bleiben.

Die breitere Wirkung

Abgesehen von der grundlegenden Physik verstärkt diese Studie die wachsende Rolle von Verspottungsprotokollen in aufkommenden Quantentechnologien. Die hier verwendeten Techniken sind für zukünftige Quantennetzwerke relevant, bei denen die Verschränkung sichere kryptografische Schemata und verteilte Quantenverarbeitung ermöglichen könnte. Die Arbeit zeigt auch, wie einfache, spielartige Szenarien als leistungsstarke Werkzeuge für die Demonstration der kontraintuitiven Vorteile von Quantenmechanik dienen können.

Da die Quantum -Technologien weiter reifen, bieten Experimente wie diese Betonbenchmarks dafür, wie und wo die Quantenmechanik klassische Methoden übertreffen kann. Mit fortgesetzten Verbesserungen können verwickelte Systeme bald von Forschungslabors in praktische Anwendungen in Bezug auf Computer, Kommunikation und Sicherheit übergehen.

Die Studie wurde von einem Team von Wissenschaftlern durchgeführt, darunter Drmota, D. Main, Em Ainley, A. Agrawal, G. Araneda, DP Nadlinger, BC Nichol und R. Srinivas von der University of Oxford. Darüber hinaus trugen A. Cabello von der Universität von Sevilla und dem Instituto Carlos I de Física Teórica y Computeralal zusammen mit DM Lucas aus Oxford zur Forschung bei.