Nuevo sistema experimental para acercar las tecnologías cuánticas al estudiantado

El mundo de la física cuántica vive una segunda revolución, que impulsará un salto exponencial en el progreso de la computación, internet, las telecomunicaciones, la ciberseguridad o la biomedicina. Las tecnologías cuánticas atraen cada vez a más estudiantes que quieren conocer conceptos del mundo subatómico —como el entrelazamiento cuántico o la superposición cuántica— para explorar el potencial innovador de la ciencia cuántica. De hecho, entender la naturaleza no intuitiva de los conceptos de las tecnologías cuánticas y reconocer su relevancia en el progreso tecnológico es uno de los retos de 2025, declarado el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas por la Unesco.

Ahora, un equipo de la Facultad de Física de la UB ha diseñado un nuevo equipo experimental que hace posible que el estudiantado se familiarice con los conceptos más complejos de la física cuántica. La configuración propuesta —versátil, rentable y con múltiples modos de aplicación en el aula docente— ya está operativa en el Laboratorio Avanzado de Cuántica de la Facultad de Física y también podría ser accesible en centros menos especializados.

Esta innovación la presenta un artículo de la revista EPJ Quantum Technology, que es fruto de la colaboración entre los profesores Bruno Juliá, del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica y el Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB (ICCUB); Martí Duocastella, del Departamento de Física Aplicada y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), y José M. Gómez, del Departamento de Ingeniería Electrónica y Biomédica. Se basa en el resultado de la tesis de máster de Raúl Lahoz y participan también los expertos Lidia Lozano y Adrià Brú.

La mecánica cuántica permite crear sistemas que se denominan entrelazados —por ejemplo, con dos partículas o dos fotones—, que se comportan de forma poco intuitiva. En 1964, el físico John S. Bell comprobó experimentalmente que las predicciones de la mecánica cuántica eran totalmente incompatibles con una descripción clásica de la física —una hipótesis que había defendido Albert Einstein— y consolidó la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica. En 2022 se distinguió con el Premio Nobel de Física a los científicos Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger por sus experimentos pioneros en información cuántica sobre fotones entrelazados y la demostración experimental de la violación de las desigualdades de Bell.

El entrelazamiento cuántico es actualmente uno de los recursos fundamentales para impulsar el desarrollo de las tecnologías cuánticas (ordenadores cuánticos, encriptación de datos, etc.). "El estudio de las desigualdades de Bell —en particular, observar las violaciones de las desigualdades— es fundamental para caracterizar los sistemas cuánticos entrelazados. Es importante poder realizar estos experimentos en un laboratorio docente para entender bien las desigualdades de Bell, el entrelazamiento cuántico y la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica", detalla Bruno Juliá.

De este modo, tal como explica Martí Duocastella, en el artículo "hemos diseñado un nuevo equipo experimental capaz de proporcionar al alumnado medidas directas del entrelazamiento cuántico: desde nuestra perspectiva, consideramos que permitir a los estudiantes hacer estas medidas facilitará enormemente la comprensión de este fenómeno tan poco intuitivo".

El sistema que ha diseñado el equipo de la Universidad de Barcelona posibilita estudiar las desigualdades de Bell y realizar también la tomografía completa de estados de dos fotones. Con una operatividad sencilla, es capaz de preparar distintos estados cuánticos entrelazados. En comparación con propuestas anteriores, "el nuevo equipo ha mejorado el proceso de captura de los fotones: se utilizan detectores acoplados a fibra óptica, una de las innovaciones clave para simplificar el experimento que facilita el alineamiento del sistema y aumentar la eficiencia de la detección. Así, una medida completa de las desigualdades de Bell puede hacerse durante una sesión práctica de laboratorio (entre una y dos horas)", indican Juliá y Duocastella.

Los resultados revelan una manipulación exitosa del estado cuántico de los fotones y la obtención de estados entrelazados de alta fidelidad y violaciones significativas de las desigualdades de Bell. En paralelo, los elementos que integran el sistema son empleados ampliamente en las tecnologías cuánticas actuales, facilitando el contacto del estudiantado con instrumentación avanzada.

Esta innovación, que ya se ha aplicado en docencia de grado y máster, ha recibido una valoración muy positiva por parte de todo el alumnado. En el grado en Física, permite elaborar demostraciones experimentales para complementar la asignatura de Teoría de la Información Clásica y Cuántica y de Mecánica Cuántica. En la formación de máster, es uno de los cuatro experimentos de la asignatura Laboratorio Avanzado de Cuántica del máster en Ciencia y Tecnologías Cuánticas.

Este trabajo ha recibido financiación tanto del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades como de los fondos de la Unión Europea Next Generation EU.