PHY599 - Technologies quantiques et matériaux quantiques (2022-2023)

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

Credits ECTS : 20