El món de la física quàntica viu una segona revolució, que impulsarà un salt exponencial en el progrés de la computació, internet, les telecomunicacions, la ciberseguretat o la biomedicina. Les tecnologies quàntiques atreuen cada cop més estudiants que volen conèixer conceptes del món subatòmic —com ara l’entrellaçament quàntic o la superposició quàntica— per tal d’explorar el potencial innovador de la ciència quàntica. De fet, entendre la naturalesa no intuïtiva dels conceptes de les tecnologies quàntiques i reconèixer-ne la rellevància en el progrés tecnològic és un dels reptes del 2025, declarat l
’Any Internacional de la Ciència i la Tecnologia Quàntiques per la UNESCO.
Ara un equip de la Facultat de Física de la UB ha dissenyat un nou equip experimental que fa possible que l’estudiantat es familiaritzi amb els conceptes més complexos de la física quàntica. La configuració proposada —versàtil, rendible i amb múltiples modes d’aplicació a l’aula docent— ja és operativa en el Laboratori Avançat de Quàntica de la Facultat de Física i també podria ser accessible en centres menys especialitzats.
Aquesta innovació la presenta un article de la revista
EPJ Quantum Technology, que és fruit de la col·laboració entre els professors Bruno Juliá, del Departament de Física Quàntica i Astrofísica i l’Institut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB); Martí Duocastella, del Departament de Física Aplicada i l’Institut de Nanociència i Nanotecnologia de la UB (IN2UB), i José M. Gómez, del Departament d’Enginyeria Electrònica i Biomèdica. Es basa en el resultat de la tesi de màster del Raúl Lahoz i hi participen també els experts Lidia Lozano i Adrià Brú.
Estudi de fenòmens exclusius de la mecànica quàntica
La mecànica quàntica permet crear sistemes que s’anomenen entrellaçats —per exemple, amb dues partícules o dos fotons—, que es comporten de manera poc intuïtiva. El 1964 el físic John S. Bell va comprovar experimentalment que les prediccions de la mecànica quàntica eren totalment incompatibles amb una descripció clàssica de la física —una hipòtesi que havia defensat Albert Einstein— i va consolidar la naturalesa probabilística de la mecànica quàntica. El 2022 es van distingir amb el Premi Nobel de Física els científics Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger pels experiments pioners en informació quàntica sobre fotons entrellaçats i la demostració experimental de la violació de les desigualtats de Bell.
L’entrellaçament quàntic és avui dia un dels recursos fonamentals per impulsar el desenvolupament de les tecnologies quàntiques (ordinadors quàntics, encriptació de dades, etc.). «L’estudi de les desigualtats de Bell —en particular, observar les violacions de les desigualtats— és fonamental per caracteritzar els sistemes quàntics entrellaçats. És important poder fer aquests experiments en un laboratori docent per entendre bé les desigualtats de Bell, l’entrellaçament quàntic i la naturalesa probabilística de la mecànica quàntica», detalla Bruno Juliá.
D’aquesta manera, tal com explica Martí Duocastella, en l’article «hem dissenyat un nou equip experimental capaç de proporcionar a l’alumnat mesures directes de l’entrellaçament quàntic: des de la nostra perspectiva, considerem que permetre als estudiants fer aquestes mesures facilitarà enormement la comprensió d’aquest fenomen tan poc intuïtiu».
Apropar l’alumnat a la instrumentació avançada
El sistema que ha dissenyat l’equip de la Universitat de Barcelona possibilita estudiar les desigualtats de Bell i fer també la tomografia completa d’estats de dos fotons. Amb una operativitat senzilla, és capaç de preparar diferents estats quàntics entrellaçats. En comparació amb propostes anteriors, «el nou equip ha millorat el procés de captura dels fotons: es fan servir detectors acoblats a fibra òptica, una de les innovacions clau per simplificar l’experiment que facilita l’alineament del sistema i augmentar l’eficiència de la detecció. Així, una mesura completa de les desigualtats de Bell es pot fer durant una sessió pràctica de laboratori (entre una i dues hores)», indiquen Juliá i Duocastella.
Els resultats revelen una manipulació reeixida de l’estat quàntic dels fotons i l’obtenció d’estats entrellaçats d’alta fidelitat i violacions significatives de les desigualtats de Bell. En paral·lel, els elements que integren el sistema són emprats àmpliament en les tecnologies quàntiques actuals, i faciliten el contacte de l’estudiantat amb instrumentació avançada.
Aquesta innovació, que ja s’ha aplicat en docència de grau i màster, ha rebut una valoració molt positiva per part de tot l’alumnat. En el grau en Física, permet fer demostracions experimentals per complementar l’assignatura de Teoria de la Informació Clàssica i Quàntica i de Mecànica Quàntica. En la formació de màster, és un dels quatre experiments de l’assignatura Laboratori Avançat de Quàntica del Màster en Ciència i Tecnologies Quàntiques.
Aquest treball ha rebut finançament tant del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats com dels fons de la Unió Europea Next Generation EU.