量子革命正在推动技术进步，巴塞罗那大学的新型实验设备有助于学生理解关键的量子概念。

量子物理正在经历第二次革命，即将推动计算、互联网、电信、网络安全和生物医学等领域的指数级进步。量子技术的蓬勃发展正吸引着越来越多的学生，他们渴望探索量子纠缠和叠加等亚原子概念，释放量子科学的变革潜力。

然而，掌握量子力学的反直觉原理，并理解它们对科技进步的影响，仍然是2025年的主要挑战，而联合国教科文组织已将该年定为“国际量子科学和技术年”。

为了应对这一需求，巴塞罗那大学物理学院的一支研究团队开发了一套创新的实验设备，旨在帮助学生理解复杂的量子物理概念。他们的设备用途广泛、经济实惠，并且可以适应各种课堂教学应用，目前已在巴塞罗那大学的高级量子实验室投入使用。此外，由于其易于获取，它成为了一个可行的资源，可供设施不太专业的机构使用，从而扩大了动手型量子教育的机会。

这项创新成果发布在《欧洲物理杂志·量子技术》 (EPJ Quantum Technology) 上的一篇文章中，源自量子物理与天体物理学系和巴塞罗那大学宇宙科学研究所 (ICCUB) 的布鲁诺·胡利亚 (Bruno Juliá) 教授、应用物理系和巴塞罗那大学纳米科学与纳米技术研究所 (IN2UB) 的马蒂·杜卡斯泰拉 (Martí Duocastella) 教授以及电子与生物医学工程系的何塞·M·戈麦斯 (José M. Gómez) 教授之间的合作。该创新成果基于劳尔·拉霍斯 (Raúl Lahoz) 的硕士毕业设计，莉迪亚·洛扎诺 (Lidia Lozano) 和阿德里亚·布鲁 (Adrià Brú) 两位专家也参与了该项目。

量子力学特有现象研究

量子力学使得创造所谓的纠缠系统成为可能——例如，由两个粒子或两个光子构成的纠缠系统——这些系统的表现方式有违直觉。1964年，物理学家约翰·S·贝尔通过实验证明，量子力学的预测与阿尔伯特·爱因斯坦所倡导的物理学经典描述完全不符，并巩固了量子力学的概率性质。2022年，科学家阿兰·阿斯佩克特、约翰·F·克劳泽和安东·蔡林格因在纠缠光子领域的量子信息前沿实验，以及对贝尔不等式违背的实验验证，被授予诺贝尔物理学奖。

量子纠缠是当今推动量子技术（量子计算机、数据加密等）发展的基础资源之一。“对贝尔不等式的研究，特别是观察不等式的违背现象，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、量子纠缠和量子力学的概率性质，这一点非常重要，”布鲁诺·朱利亚说道。

Martí Duocastella在文章中解释说，他们设计了“新型实验设备，能够为学生提供量子纠缠的直接测量”。“从我们的角度来看，”研究人员说，“我们相信，让学生亲自进行测量会极大促进他们对这一反直觉现象的理解。”

向学生介绍先进工具

由UB团队设计的系统使研究贝尔不等式和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。

与之前的方案相比，“新设备改进了光子捕获过程：它使用了组装到光纤中的探测器，这是简化实验的关键创新之一，有利于系统校准，提高了检测效率。因此，可以在一次实际的实验室实验（一到两个小时）期间对贝尔不等式进行完整测量”，Juliá和Duocastella表示。

结果显示，已成功操控光子量子态，实现了高保真纠缠态，显著违反了贝尔不等式。此外，该系统的元件在当前的量子技术中得到了广泛应用，便于学生接触先进仪器。

这项创新已应用于本科和研究生学位课程，并收到了所有学生的高度积极反馈。在物理学本科课程中，它使实验演示能够补充经典和量子信息论以及量子力学等学科的内容。在研究生课程中，它是量子科学与技术专业硕士课程高级量子实验室中的四个实验之一。

参考文献：劳尔·拉奥斯·桑斯、莉迪亚·洛扎诺·马丁、阿德里亚·布鲁·科尔蒂斯、马蒂·杜卡斯泰拉、何塞·M·戈麦斯及布鲁诺·胡利亚-迪亚兹所著《用于测量贝尔不等式和执行量子态层析成像的本科生实验装置》，发表于2024年12月19日，《欧洲物理杂志·量子技术》。DOI：10.1140/epjqt/s40507-024-00298-y 本研究得到了西班牙科学与创新部及欧盟“下一代欧盟”基金的资助。