Recherches en quantique

Les recherches menées par les équipes de Paris-Saclay sont au meilleur niveau international et couvrent un champ très large des sciences et technologies quantiques. Elles s’intéressent aussi bien aux études les plus fondamentales et théoriques qu’aux développements expérimentaux et technologiques. Elles explorent de nombreuses plateformes pour le développement des fonctionnalités quantiques, allant des particules sans masse et sans interactions comme les photons, des atomes uniques isolés ou en interaction, jusqu’aux systèmes mésoscopiques électroniques à bases de semi-conducteurs ou supraconducteurs. Elles s’appuient aussi bien sur des développements expérimentaux complexes en optique, que sur des outils d’élaboration et de caractérisation de la matière condensée et que sur les nanotechnologies.

Ces recherches s’inscrivent parfaitement dans le cadre du Flagship Européen sur les technologies quantiques: le calcul quantique, les communications quantiques, la simulation quantique ainsi que les capteurs et la métrologie quantiques. Ces recherches bénéficient d’études fondamentales fondatrices, notamment en matière quantique et en recherche technologique.

40 équipes de recherche au meilleur niveau international

 

Grands thèmes de recherche

  • Communications quantiques et cryptographie post-quantique
  • Capteurs quantiques et métrologie
  • Photonique quantique
  • Circuits électriques quantiques
  • Spintronique
  • Simulation quantique
  • Matière quantique et topologique
  • Algorithmique quantique
  • Nanotechnologies

Cryptographie quantiques et post-quantique

Les lois  fondamentales de la mécanique quantique  ont permis d’imaginer des protocoles de communications dont la sécurité serait garantie de façon absolue. Une première application est l’échange de clés cryptographiques quantiques, domaine où les recherches sur Paris-Saclay ont été pionnières et pour lesquels les systèmes sont maintenant proches du transfert technologique.

La sécurité des communications actuelles, utilisant l’encodage RSA, est par ailleurs menacée par le développement en cours des ordinateurs quantiques. Un autre enjeu est d’imaginer des protocoles d’encryptions classiques, qui résisteraient aux capacités de décodage d’un ordinateur quantique : c’est le domaine de la cryptographie post-quantique.

Pour en savoir plus:

  • Physical review letters 89 (18), 187901 (2002)
  • Nature volume 421, pages238–241 (2003)
  • Nature Photonics volume 7, pages 378–381 (2013)
  • Theoretical Computer Science 560, 62-81 (2014)
  • Journal of Mathematical Cryptology 8 (3), 209-247 (2014)

Capteurs quantiques et métrologie 

Les capteurs quantiques représentent un axe majeur des technologies quantiques avec des applications dans des domaines extrêmement variés. Ils reposent sur le contrôle de systèmes quantiques individuels dont la réponse à un paramètre externe en fait des capteurs dont les performances dépassent celles des systèmes classiques en terme de résolution et de sensibilité. Ainsi, les capteurs quantiques à l'état solide détectent le champ électromagnétique à l’échelle nanométrique ou dans des conditions extrêmes et ils offrent de nouvelles voies pour le traitement du signal radiofréquence et la formation d’images. En utilisant un champ microonde quantique, les mesures de résonance magnétique atteignent le spin unique. Les interféromètres atomiques mesurent la gravité avec une sensibilité inégalée conduisant à des dispositifs de navigation inertielle aux performances sans précédent. 

Ces avancées viennent élargir la révolution que les technologies quantiques ont déjà amorcée dans le domaine de la mesure, avec les horloges atomiques et les étalons électriques quantiques à effet Hall quantique et effet Josephson. Tous constituent des références extrêmement stables, reproductibles et universelles, les unes pour les mesures de temps et les autres pour les mesures électriques. Fondés sur des constantes de la physique, ils sont désormais tous au cœur du Système International d’unités (SI). Les défis actuels concernent l’extension de leurs applications, de leur utilisation et leur intégration dans des systèmes de mesure.

Pour en savoir plus :

  • L. Rondin, J.-P. Tetienne, T. Hingant, J.-F. Roch, P. Maletinsky, and V. Jacques, “Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond”, Reports on Progress in Physics 77, 056503 (2014).
  • M. Chipaux, L. Toraille, C. Larat, L.Morvan,S. Pezzagna, J. Meijer, and T. Debuisschert, Appl. Phys. Lett. 107, 233502 (2015).
  • A. Bienfait, P. Campagne-Ibarcq, A.H. Kiilerich, X. Zhou, S. Probst, J. J. Pla, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J.J.L. Morton, K. Moelmer, and P. Bertet, Phys. Rev. X 7, 041011 (2017).

Photonique quantique

La lumière quantique joue un rôle essentiel dans de multiples technologies quantiques. Le photon unique est la brique de base du futur internet quantique et les photons intriqués sont la clé des communications sécurisées longues distances. La photonique quantique est également une plateforme très prometteuse pour le calcul quantique qui permet de s’affranchir des problèmes de décohérence, de réaliser les calculs à température ambiante et de s’appuyer sur les techniques de nanotechnologies optiques classique pour réaliser des processeurs à grande échelle.

Paris-Saclay a été le lieu des  travaux sur la violation des inégalités de Bell par Alain Aspect et son équipe dans les années 1980,  où la réalité des corrélations quantiques non-locales a été démontrée pour la première fois à l’aide de paires de photons.

Aujourd’hui, Paris Saclay est à la pointe pour les technologies quantiques optiques, que ce soit dans le développement de briques de base pour les communications  et calculs quantiques, mais également pour ce qui est de la métrologie temps-fréquence et des senseurs ultimes : nouvelle génération de sources de photons uniques, ayant atteint aujourd’hui le stade commercial (voir www.quandela.com), développement d’interactions effectives photon-photon pour les portes logiques optiques à base d’atomes de Rydberg ou de spins à l’état solide ou les plateformes intégrées pour les protocoles de communication et calculs quantiques à variables continues.

Pour en savoir plus :

  • Physical review letters 49, 91 (1982)
  • Physical review letters 47, 460 (1981)
  • Nature 466, 217 (2010)
  • Nature Photonics 10, 340 (2016)
  • Physical Review Letters 117, 253602 (2016)
  • Phys. Rev. A 96, 053822 (2017)
  • Nature Nanotechnology 12, 663 (2017)
  • Phys. Rev. Lett. 120, 043601 (2018)

Circuits électriques quantiques

La découverte qu’un ordinateur quantique pourrait effectuer des tâches de calcul bien plus efficacement qu’un ordinateur classique a lancé une recherche intense visant à en réaliser les briques élémentaires, les fameux bits quantiques ou qubits, puis à les assembler pour démontrer des algorithmes quantiques. L’illustration ci-dessus montre de gauche à droite, le premier bit quantique supraconducteur dont on a préparé la superposition cohérente des deux états I0> et I1> au début des années 2000 sur Paris-Saclay, un processeur quantique élémentaire à quatre qubits supraconducteurs, le nuage électronique d’un électron autour d’une impureté de spin dans un isolant qui pourrait fournir un qubit performant, et un dispositif micro-onde pour le contrôler et le mesurer. De nombreux types de circuits électriques quantiques font actuellement l’objet de recherches intenses au sein de l’UPSaclay.

Pour en savoir plus :

  • Quantum Computation and Quantum Information, M. A. Nielsen & I. L. Chuang, Cambridge University Press (2010)
  • Vion et al., Science 296, 886 (2002)
  • A. Bienfait et al., Nature 531,  74 (2016)
  • M. Kapfer et al., Science  363, 846 (2019)

Spintronique

La spintronique est un vaste domaine de recherche regroupant l’exploration de nouveaux matériaux et de phénomènes physiques mettant en jeu une propriété quantique des électrons, le spin. Paris Saclay fut le berceau de la spintronique avec la découverte de la magnétorésistance géante en 1988. Les chercheurs du territoire ont eu depuis de nombreuses contributions pionnières (6 Highly Cited Researchers 2018).

Alors que la spintronique a déjà eu un impact applicatif considérable dans nos vies quotidiennes (stockage de l’information, mémoires électroniques, capteurs), les travaux de recherche actuels permettent d’envisager de nouvelles ruptures technologiques profondes (architectures de calcul à très basse consommation, remplacement du transistor CMOS, nouveaux matériaux quantiques …)

Pour en savoir plus :

  • Physical Review Letters, 61, 2472 (1988)
  • Nature Materials, 6, 813 (2007)
  • Nature, Vol. 547, 428 (2017)
  • Nature, Vol. 565, 35 (2019)
  • Nature Review Materials, 2, 17031 (2017)
  • SpinTronicFactory Roadmap: A european community view, Sci.Tech.EU, quarterly 30, 114 (2019)

Simulation quantique

Depuis une trentaine d’années, des progrès considérables ont été obtenus dans la manipulation d’objets quantiques individuels (photons, atomes refroidis par laser, « atomes artificiels » obtenus par des techniques de physique de la matière condensée…) ; un certain nombre de « premières » du domaine ont eu lieu sur le plateau de Saclay. 

En assemblant de manière contrôlée de tels systèmes quantiques individuels et en les faisant interagir, il est aujourd’hui possible de fabriquer au laboratoire des systèmes quantiques à N corps en interaction. Cela permet de simuler des systèmes trop complexes à résoudre par des méthodes numériques, tels que ceux que l’on rencontre par exemple en physique du solide, mais avec des possibilités inédites de contrôle et de mesure. Ce domaine de la simulation quantique est aujourd’hui en plein essor, et ouvre la voie à des applications en chimie quantique, en physique des matériaux, mais aussi par exemple pour résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire, qui apparaissent dans de très nombreux domaines.

Pour en savoir plus :

  • N. Schlosser et al., Nature 411, 1024 (2001)
  • J. Billy et al., Nature 453, 891 (2008)
  • R. Chang et al., Phys. Rev. Lett. 117, 235303 (2016)
  • H. Labuhn et al., Nature 534, 667 (2016)
  • P. St-Jean et al., Nat. Photon. 11, 651 (2017)
  • D. Barredo et al., Nature 571, 79 (2018)

Matière  quantique et topologique

L’exploration des nouveaux états électroniques ou de spin constitue un des fondements très amont de la matière quantique qui préparent les applications de demain, souvent imprédictibles. La supraconductivité à haute température critique dont l’interprétation résiste au temps, les phases exotiques telles que les liquides de spin quantiques, les matériaux multiferroïques, les gaz d’électrons 2D à l’interface d’oxydes, ainsi que les nouvelles propriétés induites par la topologie et le couplage spin-orbite sont explorés à l’université Paris-Saclay aussi bien au niveau théorique qu’expérimental avec une large palette d’expertises (diffraction de rayons X utilisant le rayonnement synchrotron ou de neutrons, ARPES, RMN, µSR, transport, magnétométrie, etc.). La présence sur le plateau de Saclay de grands instruments tel que le synchrotron Soleil est un atout exceptionnel pour mener cette exploration.

De nouveaux concepts fondamentaux ont aussi émergé aux échelles submicroniques de la matière condensée, s’appuyant sur la maîtrise des techniques de nanofabrication. Il s’agit de comprendre et de décrire théoriquement le transport électronique et thermique dans les circuits dits mésoscopiques où le comportement des électrons est déterminé par la cohérence quantique de leur fonction d’onde. Ces travaux ont permis de progresser sur les problèmes reliés à la réalisation de mesures permettant la manipulation rapide d’états quantiques dans ces circuits en préservant leur cohérence. De nouveaux types d’atomes artificiels voient le jour en exploitant les propriétés et la flexibilité de nouveaux matériaux nanostructurés comme les boites quantiques semiconductrices ou supraconductrices ainsi que les nanotubes de carbone, le graphène, les isolants topologiques etc..promettant une grande versatilité dans leur exploitation pour la création et la manipulation d’états quantiques complexes.

Pour en savoir plus :

  • Y.Imry,  "Introduction to mesoscopic physics" Orford University Press (2002)
  • E. Akkermans and G. Montambaux, "Mesoscopic Physics with electrons and photons", Cambridge University Press, (2007).
  • Comptes Rendus Physique  17, 233 (2016): "Condensed matter physics in the 21st century: The legacy of Jacques Friedel"
  • X. Montiel et al. Phys. Rev. B 95 (2017)
  • J.C. Orain et al. Phys. Rev. Lett. 118, 237203 (2017).
  • E. Kermarrec et al., Nature Com 8,14810  (2017).
  • A.Santander et al., Nature Materials 13, 10850 (2014)
  • E. Sivre et al.Nature Physics 14, 145 (2018).
  • M. Ferrier et al.Phys. Rev. Lett. 118, 196803 (2017).
  • M. Kapfer et al.Science 363, 846 (2019).
  • F. Schrindler et al. Nat. Physics 14, 918 (2018).

Algorithmique quantique

Malgré l’arrivée prochaine de supercalculateurs Exaflopiques, certaines applications resteront inaccessibles. A cette fin, des acteurs majeurs de l’informatique (Google, Microsoft,…) et du calcul haute-performance (ATOS/BULL, IBM,…) étudient le développement de coprocesseurs quantiques permettant d’accéder, en fonction des besoins de l’application, à des ressources de calcul et de mémoire quantiques. Notre recherche porte sur le développement d’algorithmes et d’outils logiciels pour utiliser ces futurs coprocesseurs quantiques avec en particulier :

  • La définition d'un langage de programmation et d’une chaine de compilation dédiée en les appliquant à des cas concrets d’algorithmes, notamment les algorithmes de calcul haute performance (HPC).
  • Le développement d'outils de synthèse de circuits quantiques à l'aide d'algorithmes d'algèbre linéaire et d'optimisation numérique.
  • La simulation d’algorithmes quantiques sur les architectures classiques massivement parallèles.
  • La certification et la validation de programmes quantiques à l’aide de méthodes formelles.
  • L’exploration des interactions classique/quantique, à la fois au niveau théorique et au niveau pratique.

Pour en savoir plus :

  • T. Goubault de Brugière, M. Baboulin, B. Valiron, C. Allouche, Synthesizing quantum circuits via numerical optimization, Proceedings of ICCS 2019 (2019).
  • A. Díaz-Caro, M. Guillermo, A. Miquel, B. Valiron. Realizability in the Unitary Sphere. Proceedings of the 24th Annual ACM/IEEE Symposium on Logic in Computer Science, LICS'19 (2019).
  • C. Allouche, M. Baboulin, T. Goubault de Brugière, B. Valiron, Reuse methods for quantum circuits synthesis, Recent Advances in Mathematical and Statistical Methods, Springer-Verlag, Vol. 259, pp. 3-12 (2018).
  • A. Scherer, B. Valiron, S.-C. Mau, Scott Alexander, E. van den Berg and T. E. Chapuran. Concrete resource analysis of the quantum linear-system algorithm used to compute the electromagnetic scattering cross section of a 2D target. Quantum Information Processing 16:60 (2017).

Nanotechnologies

Les recherches sur les technologies quantiques  ont contribué à l’émergence d’une expertise remarquable  en termes de nanotechnologies et d’expérimentation. L’Université Paris-Saclay accueille aujourd’hui, par le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, l’une des plus grandes plateformes de nanotechnologies au niveau international, avec près de 3000 m2 de salle blanche dédiée à la recherche académique, mais également accueillant les acteurs industriels (TPE, PME et grands groupes). Par ailleurs, plusieurs laboratoires de l’UPSaclay ont créé des ateliers de nanofabrication de taille plus modeste et permettant le co-développement des moyens technologiques spécifiques et de programmes scientifiques avancés. L’ensemble de ce tissu technologique est une richesse unique au Plateau de Saclay et constitue un gage de réussite tant au niveau de la recherche que de l’innovation.