PHY599 - Technologies quantiques et matériaux quantiques (2023-2024)

RESPONSABLES


SYLLABUS

Le stage de recherche PHY599 a pour but de faire découvrir aux élèves la recherche dans le domaine des technologies quantiques. Ce champ de recherche est basé sur le contrôle d’objets quantiques individuels et vise à concevoir de nouveaux dispositifs quantiques dont le fonctionnement repose sur les principes de superposition et d’intrication. Il s’agit d’un domaine en plein essor qui rassemble des physiciens de la matière condensée, des atomes froids, de l’optique, de la métrologie ainsi que des informaticiens et des chimistes des matériaux.

De par la nature multidisciplinaire de ce domaine et son fort potentiel appliqué, ce stage s'adresse à la fois aux élèves motivés par une carrière en recherche académique, à ceux qui se destinent plus à l’industrie, et plus généralement à tous les curieux qui souhaitent découvrir le métier de chercheur. Selon l’orientation thématique du stage, il est nécessaire d’avoir suivi certains des enseignements du PA Technologies Quantiques.

Lors de ce stage, les élèves seront immergés dans un laboratoire de pointe, où ils apprendront de nouveaux concepts et de nouvelles techniques, que ce soit sur le plan expérimental ou théorique. Ce contact direct avec la recherche, fondamentale ou appliquée, leur permettra de développer leurs qualités de créativité et d’imagination. Le stage pourra avoir lieu en France ou à l’étranger. Il sera effectué à temps complet sur une durée de 4-5 mois (d’avril à juillet-août). Dans le meilleur des cas, le stage pourra aboutir à un travail de recherche original et à une publication.

 

THEMATIQUES PROPOSEES ET TECHNIQUES UTILISEES

Le domaine des technologies quantiques étant transverse, on peut le catégoriser de différentes manières. Comme il est avant tout basé sur le contrôle d’objets quantiques individuels, on peut faire un classement par type de système physique impliqué :

- circuits quantiques supraconducteurs, à base de jonctions Josephson ;
- systèmes impliquant des spins électroniques ou nucléaires (centres NV du diamant ou transistors à un électron dans des nanostructures semiconductrices) ;
- photons (piégés dans des cavités ou se propageant dans des fibres optiques) ;
- atomes chauds ou froids (atomes de Rydberg ou condensats de Bose-Einstein) ;
- ions piégés électromagnétiquement et refroidis par laser ;
- oscillateurs mécaniques (nanosystèmes électromécaniques).

On peut également le classer en termes d’applications potentielles. On distingue quatre domaines applicatifs :

- Calcul et informatique quantique (traitement parallèle de l’information via des algorithmes quantiques spécifiques, quantum machine learning) ;
- Communications quantiques (cryptographie quantique, interfaçage à distance par intrication, transfert d’état quantique entre systèmes physiques différents) ;
- Simulations quantiques (simuler le comportement de systèmes quantiques à grand nombres de particules en présence d’interaction et/ou de désordre)
- Capteurs quantiques et métrologie (utiliser la superposition et/ou l’intrication pour repousser les limites de détection, et redéfinir les standards de mesure).

L’ensemble des thématiques de recherche mentionnées ci-dessus peuvent être explorées sur la plan expérimental et/ou théorique.

En fonction du système étudié, les techniques expérimentales d’élaboration, de contrôle et de mesure diffèrent grandement. Voici différentes techniques que le stagiaire sera potentiellement amené à découvrir : lithographie électronique et nano-fabrication en salle blanche, microscopie (électronique, à effet tunnel, à force atomique), électronique ultra-bas bruit, mesures radiofréquences, cryogénie, lasers, interférométrie, piégeage et refroidissement d’atomes, résonance magnétique nucléaire, résonance paramagnétique électronique … Sur le plan théorique, le stagiaire aura l’occasion de se familiariser avec les techniques analytiques de la physique statique avancée et de la mécanique quantique des systèmes à N corps et/ou d’utiliser des outils de simulations numériques modernes, y compris sur les supercalculateurs hautes performances.

Langue du cours : Français et Anglais



 

SYLLABUS

PHY599 research internship aims to introduce students to research in the field of quantum techonologies. This research field is based on the control of individual quantum objects and aims to develop new quantum devices based on superposition and entanglement principles. It is an emerging field bringing together physicists of condensed matter, cold atoms, optics, metrology and computer scientists and material chemists.

By the field's multidisciplinary nature and its high applied potential, the internship is designed to students motivated by a career in academic research, those who are more industry-oriented, and more generally to all those who are curious about the research profession. It is necessary to have taken some courses of the Quantum Technologies PA, according to the internship topic.

During the internship, students will be immersed in a state-of-the-art laboratory where they will learn new concepts and techniques, both in an experimental and theorical level. This direct contact with research - fundamental or applied - will allow them to develop their creativity and imagination qualities. The internship can take place in France or abroad. It will be carried out on a full-time basis for 4-5 months (from April to July/August). In the best case, it could lead to an original research work and a publication.

 

THEMES AND TECHNIQUES USED

Quantum technology field being transverse, we can classify it in different ways. As it is mainly based on the control of individual quantum objects, we can classify it by the type of physical system involved:

  • superconductor quantum circuit, based on Josephon junctions;
  • systems involving spin electronics or nuclear (diamond NV centers or single-electron transistors in seminconductor nanostructures);
  • photons (captured in cavities or spread in optical fibers);
  • warm and cold atoms (Rydberg atoms or Bose–Einstein condensates);
  • ions captured electromagnetically and laser cooled;
  • mechanical oscillator (electromechanic nanosystems).

It can also be classified in terms of potential applications. There are four application fields:

  • Calculation and quantum computing (parallel processing of the information through specific quantum algorithms, quantum machine learning);
  • Quantum communications (quantum cryptography, remote interfacing by entanglement, quantum state transfer between different physical systems);
  • Quantum simulations (simulating the behavior of quantum systems with large numbers of particles in the presence of interaction and/or disorder);
  • Quantum sensors and metrology (use superposition and/or entanglement to push the boundaries of detection, and redefine measurement standards).

All the topics mentioned above can be explored from an experimental and theorical perspective.

Depending on the system studied, experimental, design, control and measuring techniques differ. Here are some techniques that the intern will potentially discover: nanoelectron lithography and nanofabrication in white room, microscopy (electronic, tunneling, atomic force), ultra-low noise electronics, radiofrequence measures, cryogenics, lasers, interfeometry, capturing and cooling atoms, nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance... On the theorical level, the intern with analytical techniques of advanced static physics and quantum mechanics of N_body systems and/or use modern digital simulating tools, including on high performance supercomputers.

Course language: French and English