量子物理学领域正在经历第二次革命，这将推动计算、互联网、通信、网络安全和生物医学的进步实现指数级飞跃。量子技术正吸引着越来越多的学生，他们希望学习亚原子世界的概念——例如量子纠缠或量子叠加——以探索量子科学的创新潜力。事实上，理解量子技术概念的非直观本质并认识其与技术进步的关联，是2025年面临的挑战之一；联合国教科文组织已宣布2025年为“国际量子科学技术年”。
目前，巴塞罗那大学物理学院的一个团队设计了新的实验设备，使学生能够熟悉量子物理中更复杂的概念。他们提出的配置——多功能、高性价比且具有多种课堂应用方式——已在巴塞罗那大学物理学院的高等量子实验室投入使用，并且也可以在专业性较弱的中心使用。
这项创新发表在《EPJ量子技术》（EPJ Quantum Technology）期刊的一篇文章中，是量子物理与天体物理系及巴塞罗那大学宇宙科学研究所（ICCUB）的Bruno Juliá教授、应用物理系及巴塞罗那大学纳米科学与纳米技术研究所（IN2UB）的Martí Duocastella教授，以及电子与生物医学工程系的José M. Gómez教授合作的成果。该研究基于Raúl Lahoz的硕士毕业项目成果，并有专家Lidia Lozano和Adrià Brú参与。
量子力学独有现象的研究 量子力学使得制造所谓的纠缠系统成为可能——例如，由两个粒子或两个光子组成的系统——其行为方式是非直观的。1964年，物理学家约翰·S·贝尔（John S. Bell）通过实验证明，量子力学的预测与经典物理描述完全不相容——这是阿尔伯特·爱因斯坦曾支持的假设——并巩固了量子力学的概率本质。2022年，科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·F·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger）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演示而获得诺贝尔物理学奖。
如今，量子纠缠是推动量子技术（量子计算机、数据加密等）发展的基础资源之一。“贝尔不等式的研究——特别是观察不等式的违反——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，对于理解贝尔不等式、量子纠缠和量子力学的概率本质非常重要，”Bruno Juliá说道。
Martí Duocastella在文章中解释说，他们设计了“能够为学生提供量子纠缠直接测量的新实验设备”。“从我们的角度来看，”这位研究人员说，“我们相信允许学生进行这些测量将极大地促进他们对这一非直观现象的理解。”
向学生介绍先进工具 巴塞罗那大学团队设计的系统不仅可以研究贝尔不等式，还可以执行完整的双光子态层析。通过简单的操作，它可以制备不同的量子纠缠态。与之前的方案相比，“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，便于系统的对准并提高了检测效率。因此，可以在一次实践实验课（一到两小时）内完成贝尔不等式的完整测量，”Juliá和Duocastella说。
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，该系统的元件广泛应用于当前的量子技术中，便于学生接触先进仪器。
这项创新已应用于本科和硕士课程，收到了所有学生的非常积极的反馈。在物理学学士学位课程中，它允许进行实验演示，以补充经典与量子信息论和量子力学课程。在硕士学位课程中，它是量子科学与技术硕士专业高等量子实验室的四个实验之一。
这项研究获得了西班牙科学、创新与大学部以及欧盟“下一代欧盟”基金的资助。