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Information quantique

Nous vivons dans l'âge de l'information. Les industries liées à la transmission et au traitement de l'information représentent plus du quart de l'économie mondiale. Or l'information repose ultimement sur un support physique. De la même manière que la physique quantique a révolutionné notre compréhension de la matière au XXe siècle, elle a le potentiel de révolutionner le traitement, la transmission, et même la nature de l'information au XXIe siècle. L’unité élémentaire d'information classique (ou bit) est un système physique qui peut exister dans deux états macroscopiques bien délimités. Son équivalent quantique (ou qubit) est un système physique qui peut exister dans deux états quantiques différents, ou dans une superposition de ces deux états. Cette possibilité de superposer des états en physique quantique entraîne qu'un qubit peut être à la fois dans l'état « vrai » et l'état « faux »; certains algorithmes mettent à profit cette possibilité pour accélérer des tâches de façon exponentielle, bien au-delà de ce qu'un ordinateur classique ne pourrait jamais accomplir. 

Cette promesse s'accompagne de défis immenses, mais réalistes, à la fois dans la construction de qubits physiques qui peuvent conserver leur état de superposition dans un environnement sans cesse perturbateur, dans la conception de systèmes qui permettent d'assembler  et de contrôler des qubits, et dans la conception d'algorithmes robustes qui peuvent résister aux inévitables imperfections de ces systèmes. Non seulement ce nouveau domaine de la physique est-il extrêmement prometteur sur le plan technologique, mais il a stimulé un renouveau dans l'étude des fondements de la mécanique quantique et des effets quantiques à l'échelle macroscopique.

Le Département de physique s'est mérité une réputation enviable à l'échelle mondiale dans ce domaine jeune et en pleine croissance. Trois laboratoires sont consacrés au traitement ou au contrôle de l'information quantique dans un environnement de très basse température (quelques millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu). Des chercheurs théoriciens se consacrent à la conception de systèmes basés sur des qubits, à la conception d'algorithmes quantiques robustes et à des méthodes numériques pour étudier les systèmes comportant un grand nombre de qubits.

Alexandre Blais

Théorie de l’optique quantique et de l’information quantique dans les circuits supraconducteurs. Théorie de l’électrodynamique quantique en circuits et des qubits supraconducteurs.

Eva Dupont-Ferrier

Développement de dispositifs innovants pour l'information quantique en utilisant la technologie silicium et les circuits supraconducteurs.

Michel Pioro-Ladrière

Architectures basées sur des qubits de spin. Manipulation du spin d'électrons confinés dans des boîtes quantiques à l'aide de micro-aimants.

Bertrand Reulet 

Traitement des signaux quantiques. Étude expérimentale du bruit d’origine quantique.

Matériaux quantiques

Les technologies modernes, dans tous les domaines (information, communications, médecine, etc.) reposent sur les propriétés des matériaux à l'échelle atomique, que ce soient des métaux, des semi-conducteurs, des aimants ou des supraconducteurs. Ces propriétés vont au-delà de celles des atomes dont ces matériaux sont constitués. De même que la structure de ces atomes doit être comprise à l'aide de la physique quantique, ces propriétés souvent inusitées doivent être comprises à l'aide des lois de la physique quantique en tenant compte des interactions d'un grand nombre d'atomes. On appelle « matériaux quantiques » ces matériaux dont les propriétés inusitées (par exemple la supraconductivité) ne peuvent être comprises par des modèles simples ne faisant intervenir qu'un atome ou qu'un électron à la fois, mais qui requièrent une prise en compte des effets « collectifs » d'un grand nombre d'électrons en interaction constante.

Les supraconducteurs, qui perdent toute résistance électrique à basse température, sont l'exemple le plus frappant de matériau quantique. Les aimants de toutes sortes (ferroaimants, antiferroaimants, etc.) en sont aussi. Certains matériaux sont même isolants en volume, mais conducteurs en surface, avec une robustesse de comportement attribuable à des propriétés « topologiques ». On peut également fabriquer des matériaux « artificiels », couche d'atomes par couche d'atomes, dont les propriétés inusitées seraient configurables ou mises à profit dans des dispositifs électroniques.

Le Département de physique abrite des laboratoires mondialement reconnus consacrés à l'étude des matériaux quantiques. Des physiciens expérimentateurs y soumettent des matériaux à des conditions extrêmes de température, de champ magnétique, de pression, afin de révéler le comportement collectif des électrons qui déterminent leurs propriétés et leurs applications. Des physiciens théoriciens utilisent des superordinateurs afin de prédire ou d'expliquer ces propriétés à partir de modèles simples de ces matériaux.

Claude Bourbonnais

Physique théorique des conducteurs moléculaires de basse dimensionnalité

René Côté

Théorie du gaz d'électrons bidimensionnel dans les microstructures quantiques et le graphène

Patrick Fournier

Croissance et propriétés de couches minces et hétérostructures de nouveaux matériaux. Supraconductivité. Magnétisme. Multiferroïques. Effet magnétocalorique.

Ion Garate

Modélisation théorique des matériaux topologiques avec l’objectif de prédire de nouveaux phénomènes physiques et de concevoir de nouveaux dispositifs pour la spintronique et l’informatique quantique.

Denis Morris

Spectroscopie optique résolue dans le temps. Dispositifs térahertz. Dynamique des porteurs de charge dans les nanostructures semiconductrices.

Jeffrey Quilliam

Matériaux magnétiques frustrés. Résonance magnétique nucléaire.

David Sénéchal

Méthodes numériques pour les modèles d’électrons en interaction. Applications aux supraconducteurs et à d’autres matériaux.

Louis Taillefer

Supraconducteurs et matériaux topologiques. Mesures à très basses températures, champs magnétiques intenses, et hautes pressions. 

André-Marie Tremblay

Applications et développements de la théorie quantique des matériaux. Supraconductivité et autres phénomènes collectifs.