新型教学实验平台：让量子技术更贴近学生群体

目前，巴塞罗那大学物理学院的一个团队设计了一套新的实验设备，使学生们能够熟悉量子物理学中更为复杂的概念。他们所提出的配置——通用性强、成本效益高且在课堂上有多种应用方式——已在巴塞罗那大学物理学院的先进量子实验室投入运行，并且在专业性较低的中心也可能使用。

这项创新发表在《EPJ Quantum Technology》期刊的一篇文章中，是量子物理与天体物理系、巴塞罗那大学宇宙科学研究所（ICCUB）的Bruno Juliá教授，应用物理系、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教授之间合作的成果。该研究基于Raúl Lahoz完成的硕士毕业项目结果，并有专家Lidia Lozano和Adrià Brú的参与。

研究量子力学独有现象 量子力学允许创建所谓的纠缠系统——例如，包含两个粒子或两个光子的系统——其行为方式是非直观的。1964年，物理学家约翰·S·贝尔通过实验证明，量子力学的预测与物理学的经典描述完全不相容——这是阿尔伯特·爱因斯坦曾主张的假说——并巩固了量子力学的概率性质。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领域的开创性实验以及对贝尔不等式违反的实验验证而获得诺贝尔物理学奖。

量子纠缠如今是推动量子技术（量子计算机、数据加密等）发展的基础资源之一。“研究贝尔不等式——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。能够在教学实验室进行这些实验，对于理解贝尔不等式、量子纠缠以及量子力学的概率性质非常重要，”Bruno Juliá 说道。

Martí Duocastella 在文章中解释称，他们设计了一套“新的实验设备，能够为学生提供对量子纠缠的直接测量”。“从我们的角度来看，”这位研究员说，“我们认为让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。”

引导学生接触先进工具 巴塞罗那大学团队设计的系统既能用于研究贝尔不等式，也能进行完整的双光子态层析。通过简单操作，它可以制备不同的量子纠缠态。与先前的方案相比，“新设备改进了光子捕获过程：它采用了组装在光纤上的探测器，这是简化实验的关键创新之一，便于系统对准并提高了探测效率。因此，在实验室实践课期间（一到两个小时）即可完成贝尔不等式的完整测量，” Juliá 和 Duocastella 说道。

结果显示成功操纵了光子的量子态，实现了高保真纠缠态以及对贝尔不等式的显著违反。此外，该系统的组件广泛应用于当前的量子技术中，便于学生接触先进仪器设备。

这项创新已在本科和硕士课程中应用，并获得了所有学生的积极反馈。在物理学学士学位课程中，它被用于进行实验演示，以辅助经典与量子信息论及量子力学的教学。在硕士学位课程中，它是量子科学与技术硕士课程先进量子实验室的四个实验之一。

本研究得到了西班牙科学、创新与大学部以及欧盟下一代欧盟基金（Next Generation EU）的资助。