Almost-Quantum Correlations Violate Information Causality

Nel bizzarro panorama della fisica quantistica, le particelle possono legarsi in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Quando due di tali particelle vengono misurate a grande distanza, il risultato di una misurazione sembra influenzare l'altra istantaneamente, un fenomeno noto come non località. Per decenni, i fisici hanno cercato di comprendere i limiti di questa connessione. Sanno che la natura non permette all'informazione di viaggiare più velocemente della luce, una regola chiamata principio di no-signaling. Eppure, entro questa regola, esiste un vasto spazio di possibilità. Alcuni modelli teorici suggeriscono correlazioni così forti da consentire imprese impossibili, come indovinare un codice segreto con una precisione perfetta usando solo un piccolo indizio. Per dare un senso al perché il nostro universo segua le regole specifiche della meccanica quantistica e non queste possibilità più selvagge, gli scienziati hanno proposto un principio guida chiamato causalità dell'informazione. Questa idea suggerisce un limite semplice: se invii a qualcuno un messaggio di una certa dimensione, diciamo un bit, questa persona non può ottenere più di quella quantità di informazione riguardo ai tuoi dati segreti, indipendentemente da quanto sia ingegnoso nel tentare di decodificarli. Questo principio è rispettato nel nostro noto mondo quantistico e aiuta a spiegare perché la natura si fermi poco prima delle possibilità teoriche più estreme.

Un gruppo di ricercatori presso il S. N. Bose National Centre for Basic Sciences di Calcutta ha ora testato questo principio contro un insieme specifico e altamente sofisticato di correlazioni teoriche note come "quasi-quantistiche". Queste correlazioni sono un rilassamento matematico delle regole quantistiche; sono leggermente più permissive di quanto consentito dalla meccanica quantistica, ma soddisfano comunque molti altri vincoli fisici noti. Per anni, le simulazioni al computer hanno suggerito che le correlazioni quasi-quantistiche potessero rispettare la causalità dell'informazione, rientrando comodamente nei confini di un mondo fisico sensato. Tuttavia, il nuovo studio ribalta questa aspettativa. Progettando un gioco di comunicazione specifico, i ricercatori hanno dimostrato che le correlazioni quasi-quantistiche possono violare il principio della causalità dell'informazione senza alcun limite. Nel loro scenario, un singolo bit di comunicazione permette al ricevente di accedere a una quantità massiccia di informazioni sui dati del mittente, un'impresa che è strettamente proibita nel nostro universo.

L'esperimento si basa su un gioco ingegnoso che coinvolge due parti, Alice e Bob, che condividono una connessione misteriosa. Alice possiede una lunga stringa di bit casuali, che divide in molti blocchi. A Bob viene chiesto di identificare il contenuto di un blocco specifico scelto a caso. In un gioco standard, se Alice invia a Bob anche solo un bit di informazione, egli dovrebbe essere in grado di apprendere solo un bit dei suoi dati. I ricercatori hanno costruito un protocollo in cui Alice e Bob utilizzano un tipo speciale di connessione, una "scatola quasi-quantistica", per giocare a questo gioco. Questa scatola ha una proprietà unica: può occasionalmente produrre un risultato specifico che funge da certificato perfetto. Se questo certificato appare, esso prova con assoluta certezza che un particolare blocco dei dati di Alice è composto interamente da uno. Fondamentalmente, il certificato non mente mai; se appare, i dati sono esattamente come dichiarati. Tuttavia, il certificato è raro.

Il potere di questa configurazione risiede nel modo in cui la rarità viene superata. I ricercatori hanno dimostato che utilizzando una scatola con un numero molto elevato di possibili impostazioni — specificamente, oltre 750.000 diverse opzioni per ciascuna parte — il certificato raro diventa abbastanza efficace da infrangere le regole. Quando il certificato appare, rivela l'intero blocco di dati, non solo un singolo bit. Poiché la scatola è così versatile, può certificare qualsiasi uno dei molti blocchi. I ricercatori hanno calcolato che, con un numero specifico di impostazioni e una specifica lunghezza per i blocchi di dati, l'informazione totale che Bob ottiene supera di gran lunga il singolo bit inviato da Alice. In un caso specifico, utilizzando una stringa di oltre 13 milioni di bit, l'informazione ottenuta era leggermente superiore a un bit, quel tanto che basta per provare la violazione. Regolando i parametri, hanno dimostrato che questa violazione poteva essere resa arbitrariamente grande, il che significa che il ricevente potrebbe apprendere una quantità illimitata di informazioni da un singolo bit di comunicazione.

Questa scoperta crea una netta divisione nella nostra comprensione delle teorie fisiche. Dimostra che le correlazioni quasi-quantistiche, nonostante soddisfino molti altri principi fisici, sono fondamentalmente incompatibili con l'idea che l'informazione sia limitata dalla dimensione del messaggio inviato. I ricercatori sostengono che se una teoria permette queste correlazioni, deve abbandonare una regola standard su come l'informazione si combina, nota come regola della catena. Questa regola afferma essenzialmente che l'informazione totale che si ha su un sistema può essere scomposta nell'informazione che si ha sulle sue parti. Lo studio suggerisce che in un mondo con correlazioni quasi-quantistiche, questa decomposizione fallirebbe, e il modo in cui l'informazione viene archiviata ed elaborata sarebbe radicalmente diverso da quello che osserviamo.

Il lavoro non sostiene che il nostro universo operi in questo modo; piuttosto, utilizza questa violazione teorica per affinare la nostra comprensione del perché la meccanica quantistica sia così com'è. I ricercatori notano che il loro protocollo richiede un numero molto elevato di impostazioni per funzionare, motivo per cui le precedenti ricerche al computer hanno mancato la violazione. La scala enorme delle impostazioni necessarie spiega perché l'insieme quasi-quantistico sia apparso sicuro nelle precedenti simulazioni su scala più piccola. Lo studio evidenzia anche una differenza chiave tra il modo in cui la meccanica quantistica e queste correlazioni quasi-quantistiche gestiscono la certezza. Nel mondo quantistico, la certezza perfetta su una relazione tra eventi distanti è estremamente limitata. Nel mondo quasi-quantistico, questo limite è rilassato, permettendo i rari ma perfetti certificati che guidano la violazione.

In definitiva, l'articolo stabilisce che le correlazioni quasi-quantistiche non sono una descrizione valida della nostra realtà fisica se desideriamo mantenere il principio della causalità dell'informazione. Esse costringono i fisici a scegliere tra l'accettare queste correlazioni e rinunciare a una regola fondamentale su come funziona l'informazione, o il rifiutare le correlazioni come non fisiche. I ricercatori suggeriscono che la seconda via sia la più probabile, implicando che i vincoli specifici della meccanica quantistica siano necessari per preservare un flusso di informazione coerente. Questo risultato aggiunge un tassello significativo al lungo enigma del perché la natura segua le regole che segue, escludendo una classe di teorie che precedentemente sembravano essere un candidato promettente per una comprensione più profonda del mondo quantistico.