Study of entanglement via a multi-agent dynamical quantum game

Nel vasto panorama della fisica moderna, due idee si distinguono per la loro capacità di scardinare la nostra intuizione quotidiana: l'entanglement e la non-località. L'entanglement descrive una strana connessione in cui due particelle diventano così profondamente legate che misurarne una rivela istantaneamente lo stato dell'altra, indipendentamente da quanto siano lontane tra loro. La non-località va un passo oltre, suggerendo che queste particelle si influenzino in modi che non possono essere spiegati da alcun segnale che viaggi alla velocità della luce. Per decenni, gli scienziati hanno studiato questi fenomeni nel regno delle particelle subatomiche, usandoli spesso per testare le fondamenta stesse della realtà. Più recentemente, i ricercatori hanno iniziato a chiedersi se queste stranezze quantistiche potessero fare molto di più che dimostrare un punto; potrebbero esse effettivamente cambiare il modo in cui gli esseri viventi si comportano? Questa domanda colma il divario tra il mondo microscopico della meccanica quantistica e il mondo macroscopico dell'ecologia, chiedendosi se le regole del mondo infinitesimale possano riscrivere le regole della sopravvivenza per popolazioni di animali, piante o microbi.

Un team di ricercatori ha ora esplorato questa possibilità costruendo un modello teorico in cui la lotta per la sopravvivenza è governata dalle regole di un gioco quantistico. Invece di studiare veri animali in una foresta, hanno creato una simulazione digitale che coinvolge due tipi di entità digitali: cellule e virus. In questo modello, i virus agiscono come predatori e le cellule come prede. I ricercatori hanno progettato uno scenario in cui ogni volta che un virus incontra una cellula, essi si impegnano in un confronto microscopico per decidere l'esito. In una versione standard e classica di questo confronto, il risultato dipenderebbe da scelte semplici e predeterminate, molto simile al lancio di una moneta. Tuttavia, i ricercatori hanno introdotto un colpo di scena: hanno permesso ai virus e alle cellule di condividere una connessione quantistica, o entanglement, prima di incontrarsi. Questa connessione significava che le loro scelte non erano indipendenti, ma erano invece collegate in un modo che sfida la logica classica, permettendo correlazioni più forti di qualsiasi cosa possibile nel mondo quotidiano.

I ricercatori hanno scoperto che la forza di questa connessione quantistica ha avuto un effetto drammatico e talvolta sorprendente sulla sopravvivenza a lungo termine delle popolazioni. Hanno scoperto un fenomeno che chiamano "monogamia della sopravvivenza". Nel mondo quantistico, esiste una regola rigida secondo cui una particella non può essere completamente entangled con due partner diversi contemporaneamente; se è fortemente connessa a uno, deve essere debolmente connessa all'altro. I ricercatori hanno dimostrato che questa regola si traduce direttamente nel destino delle popolazioni. Quando i virus sono stati in grado di usare la loro connessione quantistica per coordinarsi perfettamente con le cellule, hanno ottenuto un vantaggio significativo. Tuttavia, a causa della regola della "monogamia", se un gruppo di virus utilizzava questa forte coordinazione quantistica, un altro gruppo di virus in competizione per le stesse cellule era costretto a uno stato di debole coordinazione. Nelle loro simulazioni, questo squilibrio è stato fatale. I virus che non sono riusciti a mantenere un forte legame quantistico con le cellule sono stati portati all'estinzione, mentre le cellule e i virus ben connessi sono sopravvissuti.

Per capire come ciò funzioni, immaginate i virus e le cellule come giocatori in un gioco in cui devono indovinare le mosse l'uno dell'altro. In un mondo classico, possono solo indovinare basandosi sulle proprie informazioni. Nel mondo quantistico, i ricercatori hanno dimostrato che i virus potevano condividere un legame nascosto che permetteva loro di indovinare le mosse l'uno dell'altro con un tasso di successo matematicamente impossibile nel mondo classico. Questo tasso di successo più elevato si è tradotto in un "guadagno" maggiore per i virus, il che significa che si riproducevano in modo più efficace. I ricercatori hanno eseguito migliaia di simulazioni per vedere come queste popolazioni cambiassero nel tempo. Hanno scoperto che quando i virus utilizzavano il massimo vantaggio quantistico possibile, il sistema diventava instabile, portando all'estinzione della specie di virus omogenea mentre una specie di virus distinta sopravviveva. Al contrario, quando i virus condividevano la loro connessione quantistica equamente tra molti gruppi diversi, il sistema rimaneva stabile e tutte le specie coesistevano solo se il numero di specie era piccolo; tuttavia, se c'erano troppe specie di virus che cercavano tutte di condividere lo stesso legame quantistico equamente, il sistema collassava, trascinando tutti verso l'estinzione.

Lo studio ha anche esaminato le basi matematiche di queste dinamiche utilizzando un framework noto come equazioni di Lotka-Volterra, che sono strumenti standard per modellare le relazioni preda-predatore in ecologia. Sostituendo i parametri di interazione standard con valori derivati dalla meccanica quantistica, i ricercatori sono stati in grado di prevedere esattamente quando una popolazione sarebbe cresciuta o diminuita. Hanno scoperto che la stabilità dell'intero ecosistema dipendeva da un delicato equilibrio tra il numero di specie di virus e la forza delle loro correlazioni quantistiche. Se c'erano troppe specie di virus che cercavano tutte di condividere lo stesso legame quantistico, il sistema collassava, portando tutti all'estinzione. Ma se il numero di specie era piccolo, o se le connessioni quantistiche erano distribuite in un modo specifico, le popolazioni potevano sopravvivere e persino prosperare.

Questo lavoro suggerisce che le strane regole della meccanica quantistica non sono solo curiosità astratte, ma potrebbero, in teoria, dettare l'ascesa e la caduta di intere comunità biologiche. I ricercatori non hanno sostenuto di aver costruito un vero ecosistema di virus quantistici, ma le loro simulazioni forniscono una chiara prova di concetto. Hanno dimostrato che, se la natura dovesse utilizzare l'entanglement quantistico nelle interazioni tra le specie, l'esito dell'evoluzione sarebbe fondamentalmente diverso da quello che vediamo nel mondo classico. Lo studio evidenzia un nuovo tipo di competizione in cui la capacità di sfruttare le correlazioni quantistiche diventa una questione di vita o di morte. Apre la porta a future investigazioni su come gli effetti quantistici possano influenzare i processi biologici del mondo reale, dalla diffusione delle malattie alla stabilità di complessi ecosistemi, suggerendo che il mondo quantistico potrebbe essere più intimamente intrecciato nel tessuto della vita di quanto precedentemente immaginato.