全新實驗系統：讓量子科技更貼近學生

量子革命正推動著科技進步，巴塞隆納大學研發的全新實驗裝置，助力學生理解量子學的核心概念。

量子物理正迎來第二波革命，勢將在運算、網際網路、通訊、網路安全以及生物醫學等領域帶來指數級的飛躍。量子技術的蓬勃發展，吸引了越來越多學生渴望探索量子糾纏和疊加等次原子概念，釋放出量子科學的巨大轉變潛力。

然而，在2025年——聯合國教科文組織指定的「國際量子科學與技術年」，要掌握量子力學那些有悖直覺的原理，以及理解其對科技進步的影響，依舊是重大挑戰。

有鑑於此，巴塞隆納大學物理學院的一支研究團隊，研發出創新的實驗裝置，旨在幫助學生理解複雜的量子物理概念。這套裝置功能多元、成本效益高，且能適用於各種課堂教學情境，目前已在該大學的高等量子實驗室投入使用。此外，因其易於取得，也為那些專業設施較少的機構提供了可行的資源，拓展了量子實踐教育的機會。

這項創新成果發表在《EPJ量子技術》期刊的一篇文章中。此研究是量子物理與天體物理學系及巴塞隆納大學宇宙科學研究所（ICCUB）的布魯諾·胡利亞教授、應用物理系及巴塞隆納大學奈米科學與奈米技術研究所（IN2UB）的馬蒂·多卡斯特拉教授，以及電子與生物醫學工程系的何塞·M·戈麥斯教授共同合作的成果。它源於勞爾·拉霍斯的碩士畢業專題，並有專家莉迪亞·洛薩諾和阿德里亞·布魯參與其中。

量子力學讓創造出所謂的糾纏系統成為可能，例如由兩個粒子或兩個光子組成的系統，其行為方式有悖常理。1964年，物理學家約翰·S·貝爾透過實驗證明，量子力學的預測與阿爾伯特·愛因斯坦所主張的經典物理描述完全不相容，鞏固了量子力學的機率性本質。2022年，科學家阿蘭·阿斯佩、約翰·F·克勞澤和安東·塞林格因在糾纏光子的量子資訊方面的開創性實驗，以及對貝爾不等式違反的實驗證明，榮獲諾貝爾物理學獎。

如今，量子糾纏是推動量子技術（如量子電腦、資料加密等）發展的基本資源之一。研究貝爾不等式，尤其是觀察不等式的違反現象，是刻畫量子糾纏系統的基礎。布魯諾·胡利亞表示：「能在教學實驗室中進行這些實驗，對於理解貝爾不等式、量子糾纏以及量子力學的機率性本質至關重要。」

馬蒂·多卡斯特拉在文章中解釋道，他們設計的全新實驗裝置，能讓學生直接測量量子糾纏。這位研究人員稱：「從我們的角度看，讓學生進行這些測量，將極大有助於他們理解這一有悖直覺的現象。」

巴塞隆納大學團隊設計的系統，不僅能研究貝爾不等式，還能進行完整的雙光子態斷層掃描。只需簡單操作，就能準備不同的量子糾纏態。

與以往的方案相比，新裝置改進了光子捕獲過程：它使用了與光纖組裝在一起的探測器，這是簡化實驗的關鍵創新之一，既便於系統對準，又提高了探測效率。胡利亞和多卡斯特拉表示，在一次實驗課（一到兩小時）內，就能完成對貝爾不等式的完整測量。

結果顯示，成功操控了光子的量子態，實現了高保真度的糾纏態，並顯著違反了貝爾不等式。此外，該系統的元件在當前量子技術中被廣泛應用，有利於學生接觸先進的儀器裝置。

這項創新成果已在本科和碩士課程中應用，得到了所有學生的高度正面反饋。在物理學本科課程中，它能以實驗演示輔助「古典與量子資訊理論」以及「量子力學」等科目。在碩士課程中，它是「量子科學與技術碩士課程」高等量子實驗室的四個實驗之一。

參考文獻：Raul Lahoz Sanz、Lidia Lozano Martín、Adrià Brú i Cortés、Martí Duocastella、Jose M. Gomez和Bruno Juliá-Díaz於2024年12月19日發表的「Undergraduate setup for measuring the Bell inequalities and performing quantum state tomography」，刊於《EPJ量子技術》。DOI：10.1140/epjqt/s40507-024-00298-y

本研究獲得了西班牙科學、創新與大學部以及歐盟「下一代歐洲」基金的資助。