量子物理学领域正经历第二次革命，这将推动计算、互联网、电信、网络安全和生物医学等领域实现指数级飞跃。量子技术正吸引着越来越多渴望探索量子科学创新潜力的学子，他们希望学习来自亚原子世界的概念——例如量子纠缠或量子叠加。事实上，理解量子技术概念的反直觉本质，并认识到它们对技术进步的深远意义，正是被联合国教科文组织宣布为"国际量子科学与技术年"的2025年面临的挑战之一。
现在，巴塞罗那大学物理学院的一个团队设计了一种新的实验设备，使学生能够熟悉量子物理学中更复杂的概念。他们提出的配置——多功能、成本效益高，且可在课堂上以多种方式应用——已在巴塞罗那大学物理学院的高级量子实验室中运行，并且也可以在专业化程度较低的中心使用。
这项创新成果发表在《EPJ量子技术》期刊的一篇文章中，该文章是Bruno Juliá教授（来自量子物理与天体物理学系及巴塞罗那大学宇宙科学研究所）、Martí Duocastella教授（来自应用物理系及巴塞罗那大学纳米科学与纳米技术研究所）和José M. Gómez教授（来自电子与生物医学工程系）合作的成果。它基于Raúl Lahoz硕士论文的研究结果，并得到了专家Lidia Lozano和Adrià Brú的参与。
研究量子力学特有现象 量子力学使得创建所谓的纠缠系统成为可能——例如，包含两个粒子或两个光子的系统——这些系统的行为方式不符合直觉。1964年，物理学家约翰·S·贝尔通过实验证明，量子力学的预测与经典物理学描述完全不相容——这一假说曾由阿尔伯特·爱因斯坦提倡——并巩固了量子力学的概率论性质。2022年，科学家阿兰·阿斯佩、约翰·F·克劳泽和安东·蔡林格因在纠缠光子量子信息方面的开创性实验以及对贝尔不等式违反的实验证明而被授予诺贝尔物理学奖。
如今，量子纠缠是推动量子技术（量子计算机、数据加密等）发展的基本资源之一。“研究贝尔不等式——特别是观察对不等式的违反——对于表征量子纠缠系统至关重要。能够在教学实验室中进行这些实验，以理解贝尔不等式、量子纠缠以及量子力学的概率性质，是非常重要的，”Bruno Juliá说道。
Martí Duocastella在文章中解释了他们如何设计出“能够为学生提供量子纠缠直接测量的新型实验设备”。“从我们的角度来看，——这位研究员说——我们相信让学生进行这些测量将极大地促进他们对这种反直觉现象的理解。”
向学生介绍先进工具 巴塞罗那大学团队设计的系统使得研究贝尔不等式以及进行完整的双光子态层析成像成为可能。通过简单的操作，它可以制备不同的量子纠缠态。与以往的方案相比，“新设备改进了光子捕获过程：它使用组装到光纤上的探测器，这是简化实验的关键创新之一，这有助于系统的对准并提高了探测效率。因此，可以在一次实验课（一到两小时）内完成对贝尔不等式的完整测量，”Juliá和Duocastella说道。
结果显示，该系统成功实现了对光子量子态的操控，获得了高保真度的纠缠态，并显著违反了贝尔不等式。此外，该系统的组件在当前量子技术中被广泛使用，有助于学生接触先进的仪器设备。
这项创新已应用于本科和硕士课程，并获得了所有学生的积极反馈。在物理学本科课程中，它可用于进行实验演示，以补充经典与量子信息理论和量子力学课程的内容。在硕士课程中，它是量子科学与技术硕士高级量子实验室的四项实验之一。
这项研究获得了西班牙科学、创新和大学部以及欧盟下一代欧盟基金的资金支持。