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211 - L’information quantique : avancées fondamentales et possibilités technologiques

Le mercredi 29 mai 2019

L’Institut transdisciplinaire d’information quantique (INTRIQ), un regroupement stratégique du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT), rassemble près d’une centaine de chercheurs et d’étudiants de quatre institutions universitaires du Québec, ainsi qu’une douzaine de membres hors Québec. La diversité des domaines d’expertise permet à l’INTRIQ de contribuer significativement à l’effort mondial de recherche en information quantique.

La science de l’information quantique cherche à exploiter les propriétés incroyables de la matière au niveau quantique afin d’ouvrir des possibilités révolutionnaires pour le traitement de l’information. En effet, nous savons déjà que l’information quantique mène à des systèmes de communication infiniment plus sécuritaires et aussi à des calculs incroyablement plus rapides. Ce domaine de recherche, qui nécessite l’expertise de nombreuses disciplines (physique, informatique, génie et mathématiques), connaît une explosion d’intérêt de par le monde. Tous les acteurs de ce domaine s’entendent sur une chose : la prochaine révolution quantique dans le traitement de l’information est maintenant à notre porte, et son effet sur la société sera majeur.

Le colloque vise à sensibiliser le public scientifique de tous les milieux, les décideurs et les futurs acteurs universitaires, ingénieurs ou collégiaux, au caractère innovateur de la science de l’information quantique, des possibilités offertes par les technologies de l’information quantique ainsi que les plus récents résultats scientifiques dans le domaine.

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Remerciements

Nous remercions sincèrement nos conférenciers (professeurs, chercheurs et étudiants) de partager avec enthousiasme leur savoir et leurs résultats de recherche. Nous exprimons toute notre gratitude aux responsables de l'Acfas et de l'UQO pour cet événement, ainsi qu’au FRQNT et Universités de Sherbrooke, de Montréal, McGill, d’Ottawa et Polytechnique Montréal pour leur soutien financier.

Colloque
Section 200 - Sciences naturelles, mathématiques et génie
Responsables
Anne Broadbent
Université d’Ottawa
Stéphane Kéna-Cohen
Polytechnique Montréal
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Avant-midi
09 h 00 à 11 h 45
Communications orales
L’information quantique : concepts de base
Présidence/Animation : Anne Broadbent (Université d’Ottawa)
Batiment : UQO A.-Taché
Local : D0443
09 h 00
Mot de bienvenue
09 h 15
Information quantique: exploiter les particularités de l’univers quantique pour le traitement d'information
David Poulin (UdeS - Université de Sherbrooke)

On entend dire que l’informatique quantique a le potentiel de transformer les technologies de l’information. Un ordinateur quantique pourrait effectuer certains calculs qui sont impossibles sur un ordinateur conventionnel. La cryptographie quantique offre la possibilité de communication privée inconditionnelle. Mais nous sommes habitués de voir apparaitre de nouvelles technologies de l’information sur le marché, la puissance de calculs des ordinateurs conventionnels doubles à tous les 18 mois sans signe d’essoufflement depuis 1950! En quoi est-ce que les technologies quantiques diffèrent de ce progrès auquel nous sommes habitués?

C’est la question à laquelle je tenterai de répondre au cours de cette présentation.

Résumé
10 h 15
Pause
10 h 45
« transmETTRE OU NE PAS transmETTRE? : c’est ça la question. »
Claude CRÉPEAU (Université McGill)

Dans le cadre de la physique quantique nous sommes confrontés avec une réalité qui a surpris de nombreux chercheurs: l’intrication quantique. Cette notion est semblable à la transmission d’information mais n’est pas tout à fait aussi puissante. Cet exposé a pour but de vous introduire de façon simple à cette notion et ses implications dans la vie de tous les jours. Nous verrons des exemples où l’on serait porté à croire qu’une transmission a eu lieu alors que celle-ci n’est pas nécessaire à ce qui est observé…

À titre d’exemple nous considérerons le cas où Alice reçoit au hasard une couleur A parmi ROUGE, VERT, ou BLEU et de même pour Bob qui reçoit la couleur B. Ils gagnent le jeu si Alice répond la couleur X et Bob la couleur Y telles que A≠X≠Y≠B. Est-il nécessaire qu’Alice et Bob communiquent pour gagner à ce jeu tout le temps ??

Résumé
Dîner
11 h 45 à 13 h 15
Dîner
Dîner
Batiment : UQO A.-Taché
Local : D0443
Après-midi
13 h 15 à 14 h 45
Communications orales
Résultats récents en information quantique
Présidence/Animation : David Poulin (UdeS - Université de Sherbrooke)
Batiment : UQO A.-Taché
Local : D0443
13 h 15
Applications de la théorie de l’information de Shannon en complexité du calcul quantique
Dave Touchette (University of Waterloo)

Une des théories charnières du 20e siècle est la théorie de l’information de Shannon. C’est l’une des pierres angulaires de l’ère de l’information dans laquelle nous vivons, donnant la limite ultime à la performance des algorithmes de compression de sources aléatoires, aux codes correcteurs d’erreur utilisés entre autres dans la couche de communication de l’internet, ainsi qu’à la sécurité des protocoles de chiffrement (encryption). Au fil des vingt dernières années, les outils développés dans le cadre de cette théorie ont su s’immiscer bien au-delà des applications originales pour lesquelles ils furent conçus : bornes sur les structures de données, les algorithmes en continu (streaming algorithms), les algorithmes d’approximation, les programmes linéaires, les protocoles interactifs, etc. Lors de cette présentation, j'introduirai une de nos applications récentes de la théorie de l’information de Shannon à l’étude de la complexité des algorithmes en continu quantiques.

Résumé
13 h 35
Un Chiffre Inclonable
Sébastien Lord (Université d’Ottawa)

Une différence fondamentale entre l’information classique et quantique est énoncée par le théorème d’impossibilité du clonage: contrairement à des bits, il est impossible de produire des copies de qubits. Ceci est la base de plusieurs protocoles en cryptographie quantique.

Nous présentons une nouvelle fonctionnalité cryptographique nommée chiffrage inclonable. Cette fonctionnalité assure qu’un message chiffré ne puisse être utilisé pour produire deux états qui permettraient d’obtenir le message, même quand la clé est dévoilée.

Nous implémentons cette fonctionnalité en utilisant le code conjugué de Wiesner pour le chiffrement. Ainsi, il est improbable que deux adversaires puissent recevoir toute l’information nécessaire. Des fonctions pseudo-aléatoires, modélisées par des oracles aléatoires, sont utilisées afin de garantir que n’importe quelle information partielle que les adversaires obtiennent ne puisse les aider à obtenir le message.

Résumé
13 h 55
Un qubit comme détecteur de propriétés d’états topologiques
Michael Hilke (Université McGill)

Les états topologiques ont des propriétés remarquables comme la protection contre certaines perturbations notamment le bruit et le désordre. En outre, ces états peuvent aussi présenter des exemples de nouvelles excitations de particules comme les fermions de Majorana. Grâce à ces propriétés particulières, il est tentant de les considérer comme d’excellents candidats pour une architecture de base pour les ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs quantiques sont construits avec des qubits qui sont composés de systèmes à deux niveaux. Néanmoins il est souvent très difficile de détecter ces états topologiques, particulièrement au niveau expérimental. Ici, nous décrivons une application directe de qubits dans la détection de ces états topologique grâce à la dynamique particulière des qubits. Nous allons considérer, en particulier, le modèle d’une chaine atomique alterné (le model SSH) qui présente des états topologiques de bord à l’intérieur d’un gap, leur offrons une protection contre certaines perturbations. Nous montrons qu’il est possible de détecter ces propriétés topologiques à l’aide de la dynamique d’un qubit couplé à cette chaine atomique. Nous évaluons la dynamique de ce qubit et en particulier ses propriétés de décohérence qui va dépendre des propretés topologiques de la chaine atomique.

Résumé
14 h 15
Pause
14 h 45 à 16 h 00
Communications orales
Résultats récents en information quantique
Présidence/Animation : Nicolas Godbout (Polytechnique Montréal)
Batiment : UQO A.-Taché
Local : D0443
14 h 45
Photomultiplicateur micro-ondes basé sur le tunneling inélastique de paires de Cooper
Max Hofheinz (UdeS - Université de Sherbrooke)

Dans les circuits supraconducteurs quantiques, la jonction Josephson est l'ingrédient clé en agissant comme inductance fortement non-linéaire non-dissipative, permettant de construire, e.g. des qubits. En appliquant une tension continue en dessous du gap, la jonction perd son inductance et entre dans le régime de tunneling inélastique de paires de Cooper où un courant de paires de Cooper peut passer à travers la jonction lorsque l'énergie 2eV d'une paire de Cooper traversant la jonction peut être dissipée sous forme de photons dans le circuit linéaire qui l'entoure. Dans ce régime la jonction reste non-dissipative et agit comme un élément non-linéaire actif, transformant l'énergie fournie par la source de tension en rayonnement micro-ondes. Pour des circuits de haute impédance, cette conversion peut être extrêmement non-linéaire et impliquer plusieurs photons. Nous utilisons cette non-linéarité pour convertir un photon micro-ondes entrant en un état de Fock de 2 ou 3 photons sortant dans un mode différent. Dans ce processus, l'énergie électrostatique libérée par une paire de Cooper est transférée à l'état Fock sortant, fournissant ainsi un gain d'énergie. Une cascade de tels multiplicateurs, suivie d'un amplificateur linéaire devrait permettre la détection de photons micro-ondes uniques. [J. Leppäkangas et al. Phys. Rev. A 97, 013855 (2018)]

Résumé
15 h 05
Mécanisme de transfert excitonique à l’origine de l’initialisation ultrarapide des qubits de spin dans le ZnSe:Te2
Anne-Laurence Phaneuf-L'Heureux (Polytechnique Montréal)

Grâce à sa forte interaction avec la lumière, le spin d’un trou lié à une molécule de Te2 dans le ZnSe est un candidat intéressant pour la réalisation d’interfaces spin-photon permettant de manipuler, convertir et distribuer les états quantiques. Nous avons récemment démontré un nouveau mécanisme permettant d’initialiser sans champ magnétique externe le spin d’un tel trou au moyen d’une excitation résonante des états du matériau hôte [St-Jean (2016), PRL 117 (16)]. Cependant, malgré des performances et une simplicité dépassant celles de ses prédécesseurs, notamment l’atteinte d’une fidélité de 99% en moins de 150 ps, le processus reste mal compris. En employant une excitation sélective et résonante d’excitons dans la structure de bandes du ZnSe, je démontrerai que ce mécanisme implique la relaxation d’un exciton libre du ZnSe vers un état lié sur la molécule de Te2. L’oscillation selon l’énergie d’excitation de l’efficacité de transfert et de l’énergie d’émission de l’exciton lié semble indiquer un fort couplage de celui-ci à un polariton formé à partir de l’exciton libre. Je présenterai un modèle tentant d’expliquer ce couplage inattendu et discuterai des façons d’exploiter ce nouveau mécanisme pour réaliser des portes quantiques.

Résumé
15 h 25
WiSPr : Une nouvelle sonde quantique de résonance magnétique
Jérôme Bourassa (Cégep de Granby Haute-Yamaska)

Les techniques de résonance magnétique sont des méthodes hautement précises mesurant les propriétés magnétiques des spins et sont utilisées dans une multitude de domaines scientifiques et d’applications. La détection de spins est cependant difficile alors que leur interaction avec les signaux micro-ondes est très faible. Bien que l’utilisation de cavités résonantes améliore la sensibilité́ des appareils, elles limitent toutefois leur plage de détection en fréquence et complexifie la caractérisation des échantillons.

Dans ce projet, nous avons mis au point un nouveau détecteur de résonance magnétique qui résout ce problème. En exploitant l’effet Meissner non-linéaire d’un résonateur supraconducteur, nous avons permis aux spins d’affecter directement les propriétés du détecteur. Ce nouveau mécanisme de couplage permet d’ouvrir complètement la plage de détection en fréquence tout en préservant sa sensibilité́. Ce détecteur permettrait de simplifier grandement l’analyse de nombreux composés chimiques, biologiques et même de nouveaux matériaux quantiques comportant des défauts magnétiques.

Résumé
15 h 45
Pause
16 h 00 à 17 h 00
Communications orales
Conférence large public
Présidence/Animation : Bertrand Reulet (UdeS - Université de Sherbrooke)
Batiment : UQO A.-Taché
Local : D0443
16 h 00
Révéler la physique sous-jacente de l'information : circuits quantiques supraconducteur
Michel Devoret (Yale University)

On entend souvent dire que notre monde actuel s’organise en « société de l'information ». Mais que faut-il entendre au juste par information? Une suite de symboles 0 et 1? Actuellement, même dans l'ordinateur le plus miniaturisé, un chiffre binaire, communément appelé bit,  correspond à un dispositif physique complexe comportant des milliards de particules en interaction. Que devient le traitement d'information  lorsque chaque bit est porté par une seule particule, tel un atome, un électron ou un photon? Inversement, peut-on voir le mouvement des particules élémentaires comme un calcul que l'univers effectuerait? La physique des vingt-cinq dernières années a été particulièrement féconde dans le développement d'idées et d'expériences qui ont illustré le rôle primordial  de l'information dans les lois physiques, et ont donné naissance à un nouveau type d'ordinateur, encore à l'état de prototype, l'ordinateur quantique. Cette conférence, qui s'adresse à des non-spécialistes, exposera quelques-unes des questions soulevées par les nouvelles machines quantiques, en particulier celles, prometteuses, basées sur les circuits supraconducteurs.

Résumé
Soir
17 h 00 à 18 h 30
Cocktail
Cocktail