Bell nonlocality does not imply violation of nonlocal games

Nel mondo quantistico, le particelle possono legarsi in un modo che sfida la nostra comprensione quotidiana di causa ed effetto. Quando due tali particelle vengono misurate, il risultato di una si correla istantaneamente con quello dell'altra, indipendentemente da quanto siano lontane. Questo fenomeno, noto come non località di Bell, dimostra che l'universo non può essere spiegato da semplici cause locali nascoste all'interno delle particelle stesse. Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato test matematici chiamati disuguaglianze di Bell per cogliere queste strane correlazioni. Se un insieme di misurazioni infrange i limiti stabiliti da queste disuguaglianze, sappiamo che il sistema si sta comportando in modo veramente quantistico e non locale. Per rendere questi test più facili da comprendere e applicare, i ricercatori spesso li inquadrano come giochi. In questi scenari, due giocatori separati ricevono delle domande e devono fornire delle risposte senza parlarsi tra loro. Se le loro risposte vincono più spesso di quanto la fisica classica consenta, hanno dimostrato la non località. Questi giochi sono diventati uno strumento standard per esplorare i confini tra il mondo classico e quello quantistico.

Tuttamente, un nuovo studio rivela un sorprendente punto cieco in questo popolare approccio. I ricercatori, lavorando con team provenienti da Portogallo e Francia, hanno scoperto che la versione standard di questi giochi non locali — dove le regole sono rigide e la condizione di vittoria è un semplice sì o no — non può rilevare ogni singolo tipo di comportamento non locale. Hanno dimostrato che esistono specifiche correlazioni quantistiche che sono innegabilmente non locali, ma che rimangono invisibili a ogni possibile gioco di questo tipo. In altre parole, un sistema quantistico può agire in un modo che è fondamentalmente impossibile da spiegare per la fisica classica, eppure non vincerà mai un singolo uno di questi standard giochi non locali più spesso di quanto farebbe un sistema classico. Questa scoperta mette in discussione il lungo assunto che questi giochi siano uno strumento completo e perfetto per identificare tutte le forme di stranezza quantistica.

Il team si è concentrato su scenari in cui due parti, Alice e Bob, ricevono input e producono output. Hanno esaminato situazioni in cui ciascuna parte ha almeno due possibili domande e almeno quattro possibili risposte. Mappando il panorama matematico di tutti i possibili comportamenti, hanno scoperto che l'insieme dei comportamenti che possono essere catturati dai giochi non locali è in realtà più piccolo dell'insieme di tutti i comportamenti non locali. Immaginate una rete progettata per catturare pesci; i ricercatori hanno scoperto che, sebbene la rete catturi molti pesci, ci sono specifici, reali pesci che nuotano attraverso i buchi senza essere catturati. Nel loro caso, la "rete" è la collezione di tutti i possibili giochi non locali, e i "pesci" sono i comportamenti non locali quantistici che scivolano via.

Per raggiungere questa conclusione, gli scienziati hanno dovuto scavare a fondo nella geometria di queste correlazioni. Hanno trattato l'insieme di tutti i possibili comportamenti locali come una forma solida con lati piatti, nota come politopo. I confini di questa forma sono definiti dalle disuguaglianze di Bell. Hanno poi chiesto se ogni singolo uno di questi confini potesse essere riscritto come un gioco non locale. Negli scenari più semplici, la risposta è sì. Ma man mano che aumentavano la complessità delle domande e delle risposte, hanno trovato una discrepanza. Utilizzando potenti algoritmi informatici, hanno cercato attraverso migliaia di note disuguaglianze matematiche per scenari specifici, come uno con quattro possibili domande e due possibili risposte per ogni giocatore. Hanno scoperto che, di 174 tipi distinti di confini, 173 potevano essere trasformati in un gioco, ma uno no. Questa singola eccezione, che hanno chiamato J-star, è una valida disuguaglianza di Bell che prova la non località ma non può essere espressa come un gioco con una semplice regola di vittoria o perdita.

I ricercatori non si sono fermati al ritrovamento di una sola eccezione. Hanno dimostrato che questo problema non è un caso fortuito di un setup specifico, ma una caratteristica generale di sistemi più complessi. Hanno identificato eccezioni simili in scenari in cui ogni giocatore ha due domande e quattro risposte. Fondamentalmente, hanno provato che queste disuguaglianze "gioco-inequivalenti" non sono solo curiosità matematiche; possono essere violate dalla vera meccanica quantistica. Ciò significa che la natura stessa produce comportamenti che sono non locali ma rimangono nascosti ai test basati sui giochi standard. Il team ha dimostrato che esistono stati quantistici che, quando misurati, producono correlazioni che sono strettamente non locali, pur rimanendo perfettamente entro i limiti di vittoria di ogni possibile gioco non locale.

Questa scoperta impone una rivalutazione di come definiamo e testiamo la non località quantistica. Sebbene i giochi non locali rimangano uno strumento potente e intuitivo, non sono tutta la storia. Lo studio stabilisce che l'insieme dei comportamenti rilevabili da questi giochi è un sottoinsieme proprio di tutti i comportamenti non locali. C'è un divario tra ciò che è non locale e ciò che è rilevabile tramite i giochi. I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo metodo per controllare se un comportamento appartiene a questo insieme "gioco-classico", utilizzando un tipo di problema di ottimizzazione che può essere risolto dai computer. Ciò consente agli scienziati di determinare se un particolare insieme di dati è non locale ma comunque invisibile ai giochi.

Le implicazioni si estendono oltre la ricerca di nuovi test. Il lavoro evidenzia che i nostri strumenti operativi per comprendere la realtà quantistica hanno dei limiti. Solo perché un sistema non vince un gioco, non significa che stia comportandosi in modo classico. Lo studio lascia aperta la questione se questi elusivi comportamenti non locali "gioco-classici" abbiano un uso pratico o se possano essere "attivati" in qualcosa di utile attraverso altri mezzi. Per ora, la scoperta rimane una chiara prova che l'universo è più sottile di quanto i nostri giochi più popolari possano rivelare. I ricercatori hanno dimostrato che, per mappare completamente il panorama delle correlazioni quantistiche, dobbiamo guardare oltre la struttura binaria di vittoria o sconfitta dei giochi non locali e sviluppare nuovi modi per vedere ciò che giace nei punti ciechi.