El mundo de la física cuántica se enfrenta a otra revolución, una que conducirá a un rápido salto en los avances en informática, Internet, telecomunicaciones, ciberseguridad y biomedicina. Las tecnologías cuánticas atraen cada vez a más estudiantes que desean aprender sobre los conceptos del mundo subatómico para explorar el potencial innovador de la ciencia cuántica. De hecho, comprender la naturaleza no intuitiva de los conceptos de tecnología cuántica y reconocer su relevancia para el progreso tecnológico es uno de los desafíos de 2025, declarado Año Internacional de la Ciencia y Tecnología Cuánticas por la UNESCO.
Ahora, un equipo de profesores de la Universidad de Barcelona ha diseñado nuevos equipos experimentales que permiten a los estudiantes familiarizarse con los conceptos más complejos de la física cuántica. La configuración que ofrecen, versátil, rentable y con múltiples vías de aplicación en el aula, ya está funcionando en el laboratorio cuántico avanzado de la facultad de ciencias de la UB y puede ser accesible en centros menos especializados.
La innovación se presenta en un artículo de revista. Tecnología cuántica EPJque es fruto de la colaboración entre los profesores Bruno Julia, el Departamento de Física Cuántica y Astrofísica y el Instituto de Ciencias del Cosmos (ICCUB) de la UB. del Departamento de Física Aplicada y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), y del Departamento de Ingeniería Electrónica y Biomédica del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), y del Instituto Marty Dovecastella de la UB. Se basa en los resultados del trabajo fin de máster de Raúl Lahoz, con la participación de los expertos Lidia Lozano y Adri Brau.
Un estudio de fenómenos exclusivos de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica permite construir los llamados sistemas entrelazados (por ejemplo, con dos partículas o dos fotones) que se comportan de maneras no intuitivas. En 1964, el físico John S. Bell demostró experimentalmente que las predicciones de la mecánica cuántica no eran del todo coherentes con la explicación clásica de la física. En 2022, los científicos Alain Pehl, John F. Klauser y Anton Zellinger recibieron el Premio Nobel de Física por experimentos con información cuántica sobre fotones entrelazados y por la demostración experimental de la violación de la desigualdad de Bell.
El entrelazamiento cuántico es hoy uno de los principales recursos para avanzar en el desarrollo de tecnologías cuánticas (computadoras cuánticas, cifrado de datos, etc.). “El estudio de la desigualdad de Bell, en particular la observación de violaciones de la desigualdad, es fundamental para la caracterización de los sistemas cuánticos entrelazados. Es importante realizar estos experimentos en el laboratorio de enseñanza con la desigualdad de Bell, el entrelazamiento cuántico. Y es la naturaleza de mecánica cuántica para comprender la probabilidad”, afirma Bruno July.
Marty Ducastella explica en el artículo que han “desarrollado nuevos equipos experimentales capaces de proporcionar a los estudiantes mediciones directas del entrelazamiento cuántico”. “Desde nuestro punto de vista – afirma el investigador – creemos que permitir a los estudiantes realizar estas mediciones facilitará enormemente su comprensión de este fenómeno inexplicable”.
Introducir a los estudiantes a las herramientas modernas. El sistema desarrollado por el equipo de la UB ha permitido estudiar la desigualdad de Bell y estudiar la tomografía de estado completo de dos fotones. Con una simple operación, puede generar varios estados cuánticos entrelazados. En comparación con propuestas anteriores, “el nuevo dispositivo ha mejorado el proceso de captura de fotones: utiliza detectores recolectores de fibra óptica, una de las innovaciones clave para simplificar el experimento, lo que facilita la alineación del sistema y aumenta la eficiencia de detección. De este modo, las disparidades de campana pueden ser completamente medido durante una sesión práctica de laboratorio (entre una y dos horas).
Los resultados revelan la manipulación exitosa del estado cuántico de los fotones y el logro de estados de alta fidelidad y violaciones significativas de la desigualdad de Bell. Además, los elementos del sistema se utilizan ampliamente en las tecnologías cuánticas actuales, lo que ayuda a los estudiantes a entrar en contacto con la instrumentación avanzada.
Esta innovación, que ya se ha implementado en las titulaciones de Grado y Máster, ha recibido comentarios muy positivos por parte de todos los estudiantes. En una licenciatura en física, permite realizar demostraciones experimentales para complementar la asignatura de teoría clásica y cuántica de la información y mecánica cuántica. En el curso de Maestría, este es uno de los cuatro experimentos que se realizan en el Laboratorio Cuántico Avanzado de la Maestría en Ciencias y Tecnologías Cuánticas.
Este estudio ha recibido financiación tanto del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España como de los fondos Next Generation EU de la Unión Europea.
