I ricercatori usano la “telepatia” quantistica per vincere un gioco “impossibile”.

Per vincere al gioco di carte del bridge, che si gioca tra due set di partner, un giocatore deve in qualche modo segnalare al proprio compagno di squadra la forza della mano che ha in mano. La telepatia sarebbe utile qui. Ma la telepatia non è reale, giusto?

È corretto. Per decenni, i fisici hanno sospettato carte, tuttavia, che se il bridge fosse giocato usando le regole della meccanica quantistica, qualcosa che assomiglia in modo inquietante alla telepatia dovrebbe essere possibile. Ora i ricercatori in Cina hanno dimostrato sperimentalmente questa cosiddetta pseudotelepatia quantistica, non in un ponte quantistico ma in una competizione quantistica a due giocatori chiamata gioco del quadrato magico Mermin-Peres (MPMS), in cui la vittoria richiede che i giocatori coordinino le loro azioni senza scambiarsi informazioni insieme. Usata con giudizio, la pseudotelepatia quantistica consente ai giocatori di vincere ogni round del gioco, una performance impeccabile che altrimenti sarebbe impossibile. L’esperimento, condotto utilizzando foto laser, sonda i limiti di ciò che la meccanica quantistica consente nel consentire la condivisione delle informazioni tra le particelle.

Il lavoro “è una bella e semplice implementazione diretta del gioco del quadrato magico Mermin-Peres”, afferma Arul Lakshminarayan dell’Indian Institute of Technology Madras, che non è stato coinvolto nella dimostrazione sperimentale. La sua bellezza, aggiunge, deriva in parte dalla sua eleganza nel confermare che lo stato di un sistema quantistico non è ben definito prima della misurazione effettiva, cosa spesso considerata la caratteristica più sconcertante della meccanica quantistica. “Questi giochi quantistici minano seriamente la nostra nozione comune di oggetti con proprietà preesistenti che vengono rivelate dalle osservazioni”, afferma.

Due fisici quantistici, Asher Peres e David Mermin, hanno ideato indipendentemente l’MPMS nel 1990. Coinvolge due giocatori (chiamati Alice e Bob, come è tradizione negli esperimenti mentali di meccanica quantistica) che devono riempire un “quadrato magico”: un tre -by-tre griglia di numeri: a ciascun elemento della griglia viene assegnato il valore +1 o –1. In ogni round, un arbitro (Charlie) invia a caso una riga ad Alice e successivamente una colonna a Bob (ci sono nove combinazioni di righe e colonne). I giocatori devono dire a Charlie quali valori di +1 o -1 mettere nei loro tre spazi della griglia. Come in ogni sfida del quadrato magico (come il Sudoku), le somme di ogni riga e colonna devono soddisfare particolari vincoli: qui il prodotto di tutte le voci di una riga deve essere +1 e il prodotto di tutte le colonne deve essere – uno. Alice e Bob vincono un round se entrambi assegnano lo stesso valore all’elemento della griglia in cui la colonna e la riga si sovrappongono.

Classicamente è impossibile vincere tutti i round perché anche se Alice e Bob indovinano bene ogni volta, c’è inevitabilmente un round per ogni quadrato completato in cui i loro incarichi devono entrare in conflitto. Il meglio che possono fare è ottenere otto vittorie su nove.

Il grafico spiega il gioco del quadrato magico (MPMS) Mermin-Peres e perché i giocatori non possono vincere tutti e 9 i round nel suo scenario classico.
Credito: Lucy Reading-Ikkanda

Ma ora supponiamo che Alice e Bob possano usare questa strategia quantistica: invece di assegnare a ogni elemento della griglia un valore di +1 o –1, gli assegnano una coppia di bit quantistici (qubit), ognuno dei quali ha un valore di +1 o –1 quando misurato. Il valore assegnato da ciascun giocatore a un elemento della griglia è determinato misurando i due valori di qubit e trovando il prodotto della coppia. Ora il classico conflitto può essere evitato perché Alice e Bob possono ricavare valori diversi dagli stessi due qubit a seconda di come effettuano le loro misurazioni. Esiste una particolare strategia di misurazione che assicurerà che i criteri vincenti per ogni dato round, ovvero che i prodotti delle tre voci di Alice e Bob siano rispettivamente +1 e –1, siano soddisfatti per tutte e nove le permutazioni di righe e colonne.

C’è una ruga in questa strategia, tuttavia. Per effettuare la giusta serie di misurazioni, Alice e Bob devono sapere quale dei loro tre elementi della griglia è quello che si sovrappone all’altro giocatore: devono coordinarsi. Ma nell’MPMS, questo non è un problema perché effettuano le misurazioni in sequenza sulle stesse tre coppie di qubit. Ciò significa che la coppia che raggiunge Bob ha un’impronta di come Alice abbia già misurato quei quibit: possono trasmettersi informazioni a vicenda.

Il grafico mostra un gioco MPMS quantistico in cui i giocatori possono vincere tutti e 9 i round se misurano i loro valori di qubit in sequenza.
Credito: Lucy Reading-Ikkanda

Nel 1993 Mermin dimostrò che l’MPMS poteva essere utilizzato per dimostrare un fenomeno quantistico chiamato contestualità. Identificata per la prima volta dal fisico nordirlandese John Stewart Bell nel 1966, la contestualità si riferisce al fatto che il risultato di una misurazione quantistica può dipendere da come viene eseguita la misurazione. Un insieme di misurazioni classiche in un sistema darà gli stessi risultati indipendentemente dalla sequenza in cui vengono eseguite tali misurazioni. Ma per le misurazioni quantistiche, non è sempre così. Nell’MPMS, la contestualità deriva dal fatto che la misurazione per una data coppia di qubit può dare un risultato diverso a seconda anche di quali altre due coppie vengono misurate.

Ma cosa succede se vietiamo qualsiasi comunicazione nell’MPMS assegnando ad Alice e Bob diverse coppie di qubit e dicendo che non possono conferire su come misurarli? Quindi a ogni giocatore possono essere garantite nove vittorie su nove solo se fanno le giuste ipotesi su ciò che fa l’altro giocatore. Ma in uno studio pubblicato nel 2005, il teorico quantistico Gilles Brassard dell’Università di Montreal e i suoi colleghi hanno dimostrato che i giocatori possono usare i principi quantistici per garantire una vittoria in ogni round anche senza comunicare usando quella che chiamavano pseudotelepatia quantistica.

Questa strategia comporta intricato una di ciascuna delle due coppie di qubit inviate ad Alice o Bob con un qubit corrispondente utilizzato dall’altro giocatore. Le particelle entangled hanno proprietà correlate, quindi se Alice misura il valore per ciascuna particella, questo corregge anche il valore per la particella di Bob. Due particelle di qubit entangled potrebbero essere anticorrelate, ad esempio: se si scopre che il qubit di Alice ha il valore +1, quello di Bob deve essere –1. Non c’è modo di dire quale valore abbia il qubit di Alice prima che venga misurato (potrebbe essere +1 o –1), ma quello di Bob sarà sempre l’opposto. È importante sottolineare che una proprietà intrecciata tra coppie di particelle è detta “non locale”, il che significa che non è “locale” per nessuna delle due particelle, ma piuttosto condivisa tra entrambe. Anche se le particelle sono separate da grandi distanze, la coppia entangled deve essere considerata come un unico oggetto non locale. La stessa idea di base per vincere un gioco quantistico è stata proposta nel 2001 dal teorico quantistico Adan Cabello dell’Università di Siviglia in Spagna in un gioco che ha chiamato “tutto o niente”, che in seguito si è dimostrato equivalente all’MPMS non locale (pseudotelopatico).

Il grafico mostra come i giocatori MPMS possono utilizzare qubit entangled per vincere tutti e 9 i round senza comunicare le loro misurazioni.
Credito: Lucy Reading-Ikkanda

Alcuni ricercatori considerano l’entanglement l’aspetto più fondamentale della meccanica quantistica. Implica una sorta di condivisione di informazioni tra le particelle. Questa è la chiave per sfruttare l’entanglement per la pseudotelepatia quantistica: Alice e Bob non devono scambiarsi informazioni per coordinare le loro azioni perché le informazioni necessarie sono già condivise nelle coppie di particelle stesse.

Sia la contestualità che la nonlocalità forniscono “risorse quantistiche” che possono essere utilizzate per ottenere qualche vantaggio rispetto agli approcci classici all’elaborazione delle informazioni. Nell’informatica quantistica, ad esempio, l’entanglement tra i bit quantistici è generalmente la risorsa che crea una scorciatoia per trovare una soluzione al problema non disponibile per un computer classico.

I fisici hanno ripetutamente dimostrato il gioco tutto o niente di Cabello nel mondo reale usando fotoni entangled. Ma mentre quegli esperimenti hanno stabilito come l’entanglement potrebbe trasmettere un “vantaggio quantistico” battendo la performance classica, Kai Chen dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, Xi-Lin Wang dell’Università di Nanchino in Cina e i loro colleghi hanno ideato un nuovo esperimento che hanno say implementa il protocollo completo per ottenere una vittoria garantita in ogni round: pseudotelepatia quantistica genuina e coerente.

Idealmente, Alice e Bob preparerebbero molti set di quattro qubit prima dell’inizio del gioco, ogni quartetto composto da due coppie entangled. Alice avrebbe ricevuto una di ciascuna di queste coppie e Bob avrebbe ricevuto l’altra. Tuttavia, secondo i ricercatori, creare due entangled di fotoni per ogni round del gioco è immensamente impegnativo. Per prima cosa, la produzione anche di una singola coppia intrecciata avviene solo con bassa probabilità nel loro apparato, quindi crearne due contemporaneamente sarebbe estremamente improbabile. E rilevare due coppie contemporaneamente, come richiede l’MPMS pseudotelepatico, è più o meno impossibile per questa implementazione ottica.

Invece Chen, Wang e i loro colleghi hanno preparato coppie di fotoni singoli e hanno intrecciato due delle loro proprietà in modo indipendente: il loro stato di polarizzazione e una proprietà chiamata momento angolare orbitale. I fotoni erano contenuti in impulsi laser ultracorti della durata di appena 150 femtosecondi e sono stati intrecciati facendoli passare attraverso due cosiddetti cristalli ottici non lineari. Una sottile lastra di borato di bario ha prima diviso un singolo fotone in due fotoni di energia inferiore con momenti angolari correlati. Sono stati quindi impigliati anche tramite la loro polarizzazione, inviandoli attraverso un cristallo di un composto di ittrio-vanadio.

Per dimostrare un tasso di successo di quasi il 100 percento, i ricercatori dovevano migliorare la loro efficienza di rilevamento in modo che quasi nessuno dei fotoni entangled sfuggesse inosservato. Anche allora il limite teorico non può essere raggiunto con precisione nell’esperimento, ma i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che potevano vincere ogni round con una probabilità compresa tra il 91,5 e il 97%. Ciò si traduce nel battere in modo affidabile il classico limite di otto su nove in 1.009.610 round su un totale di 1.075.930 giocati.

Il gioco pseudotelepatico MPMS sfrutta il più forte grado di correlazione tra le particelle che la meccanica quantistica può fornire, dice Chen. “Il nostro esperimento sonda come generare correlazioni quantistiche estreme tra le particelle”, dice. Se queste correlazioni fossero più forti, implicherebbero uno scambio di informazioni più veloce della luce che una miriade di altri esperimenti indipendenti indica come impossibile.

Mermin afferma che, sebbene sperimentalmente impressionante, questo successo non rivela nulla di nuovo oltre al fatto che la meccanica quantistica funziona come pensavamo. Cabello non è del tutto d’accordo. Oltre ad essere un tour de force sperimentale, dice, il lavoro mostra una nuova ruga in ciò che le regole quantistiche rendono possibile mobilitando due fonti di vantaggio quantistico allo stesso tempo: una legata alla nonlocalità e l’altra legata alla contestualità. Indagare i due effetti simultaneamente, dice Cabello, dovrebbe consentire ai fisici di esplorare in modo più rigoroso le connessioni tra di loro.

Inoltre, ciascuna di queste risorse potrebbe in linea di principio essere utilizzata per usi diversi nell’elaborazione quantistica, aumentandone la versatilità. “Ad esempio, la nonlocalità può essere utilizzata per comunicazioni segrete [using quantum cryptography] mentre la contestualità può essere utilizzata per il calcolo quantistico”, afferma Cabello. In questo scenario, Bob potrebbe, ad esempio, impostare una comunicazione sicura con Alice e allo stesso tempo eseguire un calcolo con Charlie più velocemente di quanto consentito dai metodi classici.

L’uso dell’entanglement condiviso in questi esperimenti “porta a effetti che sembrano classicamente magici”, afferma Lakshminarayan. Ma data la frequenza con cui la meccanica quantistica viene utilizzata in modo improprio come giustificazione fasulla per affermazioni pseudoscientifiche, è forse un problema chiamare il fenomeno “pseudotelepatia”? È “un brutto termine, che invita a interpretazioni senza senso”, dice Mermin. Ma mentre Cabello è d’accordo, riconosce che nomi evocativi possono aiutare a pubblicizzare l’interesse del fenomeno. “Non prendiamo in giro noi stessi”, dice. “Probabilmente è grazie alla parola pseudotelepatia che [you and I] stanno avendo questa conversazione”.

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