Bruggen slaan tussen theorie en praktijk in kwantumspeltheorie: Geoptimaliseerde implementatie van de Battle of the Sexes met foutmitigatie op NISQ-hardware

Bridging Theory and Practice in Quantum Game Theory: Optimized Implementation of the Battle of the Sexes with Error Mitigation on NISQ Hardware

August 12, 2025

Auteurs: Germán Díaz Agreda, Carlos Andres Duran Paredes, Mateo Buenaventura Samboni, Jhon Alejandro Andrade, Sebastián Andrés Cajas Ordoñez

cs.AI

Samenvatting

Het implementeren van kwantumspeltheorie op echte hardware is uitdagend vanwege ruis, decoherentie en beperkte qubit-connectiviteit, maar dergelijke demonstraties zijn essentieel om theoretische voorspellingen te valideren. We presenteren een van de eerste volledige experimentele realisaties van het Battle of the Sexes-spel binnen het Eisert-Wilkens-Lewenstein (EWL) raamwerk op IBM Quantum's ibm sherbrooke supergeleidende processor. Vier kwantumstrategieën (I, H, R(pi/4), R(pi)) werden geëvalueerd over 31 verstrengelingswaarden gamma in [0, pi] met 2048 shots per configuratie, wat een directe vergelijking tussen analytische voorspellingen en hardware-uitvoering mogelijk maakt. Om ruis en variabiliteit te verminderen, introduceren we een Guided Circuit Mapping (GCM) methode die dynamisch qubit-paren selecteert en routering optimaliseert op basis van real-time topologie en kalibratiedata. Het analytische model voorspelt een verbetering van de uitbetaling tot 108% ten opzichte van het klassieke evenwicht, en ondanks afwijkingen door de hardware behouden de experimentele resultaten met GCM de verwachte uitbetalingspatronen binnen een relatieve fout van 3,5%-12%. Deze bevindingen tonen aan dat kwantumvoordelen in strategische coördinatie kunnen standhouden onder realistische NISQ-omstandigheden, wat een pad biedt naar praktische toepassingen van kwantumspeltheorie in multi-agent, economische en gedistribueerde besluitvormingssystemen.

English

Implementing quantum game theory on real hardware is challenging due to noise, decoherence, and limited qubit connectivity, yet such demonstrations are essential to validate theoretical predictions. We present one of the first full experimental realizations of the Battle of the Sexes game under the Eisert-Wilkens-Lewenstein (EWL) framework on IBM Quantum's ibm sherbrooke superconducting processor. Four quantum strategies (I, H, R(pi/4), R(pi)) were evaluated across 31 entanglement values gamma in [0, pi] using 2048 shots per configuration, enabling a direct comparison between analytical predictions and hardware execution. To mitigate noise and variability, we introduce a Guided Circuit Mapping (GCM) method that dynamically selects qubit pairs and optimizes routing based on real-time topology and calibration data. The analytical model forecasts up to 108% payoff improvement over the classical equilibrium, and despite hardware-induced deviations, experimental results with GCM preserve the expected payoff trends within 3.5%-12% relative error. These findings show that quantum advantages in strategic coordination can persist under realistic NISQ conditions, providing a pathway toward practical applications of quantum game theory in multi-agent, economic, and distributed decision-making systems.