Alexandre Blais

Alexandre et ses bienheureux qbits …

Ce n’est pas tous les jours que l’Université de Sherbrooke engage un jeune professeur qui vient de participer avec succès à une expérience que tentent de réussir depuis 20 ans plusieurs équipes de recherche en mécanique quantique à travers le monde.

En janvier, Alexandre Blais, qui a obtenu son doctorat en 2002 à l’Université de Sherbrooke, prendra les rênes d’une toute nouvelle équipe de recherche en mécanique quantique au Département de physique de la Faculté des sciences.

Par Pierre Masse

Joint par téléphone à l’Université Yale où il termine un stage postdoctoral, Alexandre Blais confie son enthousiasme à l’idée de revenir à Sherbrooke entamer une nouvelle étape professionnelle dans un milieu francophone : «Pour moi, c’est important de revenir au Québec, d’autant plus que ce Département de physique a vraiment une ambiance extraordinaire et des chercheurs passionnés par leur travail. Mais par-dessus tout, c’est l’occasion de travailler avec les meilleurs en physique du solide au Canada.» Après quelques secondes d’hésitation, cet amateur de plein air ajoute qu’il va devoir aussi se réhabituer au froid…

Le succès de Yale

Très rapidement la conversation s’oriente vers le sujet qui lui tient le plus à cœur et qui vient de faire l’objet d’une publication récente dans la revue Nature : la mise au point d’un circuit électrodynamique quantique qu’il vient de réussir avec ses collègues de l’Université Yale. Ce circuit particulièrement attendu est probablement la première pièce de l’ordinateur quantique. Alexandre Blais précise tout de suite que cet ordinateur est encore théorique, mais qu’il serait beaucoup plus rapide et surtout plus adapté qu’un ordinateur classique pour résoudre certains problèmes liés à l’encryptage de données, au design de nouveaux médicaments ou à la recherche dans des bases de données complexes.

Le piège d’Alexandre

Pour réussir l’expérience de Yale, Alexandre Blais a fourni aux expérimentateurs la théorie et l’analyse nécessaires à la construction du circuit en partant d’une idée développée durant sa thèse à Sherbrooke : combiner un seul photon avec un seul atome artificiel de grande dimension dans un circuit électrique constitué de supraconducteurs. En termes simples, ce spécialiste de la mécanique quantique a imaginé une cavité extrêmement réduite dans laquelle il pourrait enfermer un seul photon et un atome représentant une énorme cible. Le piège permettrait donc de maximiser les chances d’une interaction entre le photon et l’atome et ainsi de reproduire l’absorption et la réémission du photon par cet atome à plusieurs reprises. «Quant le circuit a été au point, on a vu la signature de l’interaction entre un seul photon et un seul atome artificiel, explique le chercheur. Ça paraît simple, mais c’est quelque chose que les gens essaient de faire depuis vingt ans avec de vrais atomes, de vraies cavités, et c’est la première fois qu’on le réussit en utilisant des systèmes électriques.» Selon lui, la plus grande originalité de l’expérience a été de s’approprier le travail effectué depuis des années sur de véritables atomes et photons prisonniers d’une cavité. Par la suite, l’équipe de Yale a adapté cette démarche à un atome artificiel, beaucoup mieux contrôlé qu’un véritable atome.

Défier les effets de la physique classique

L’utilisation d’un gros atome artificiel a placé les expérimentateurs devant un défi de taille car pour réussir l’expérience, ils devaient rester dans le domaine de validité de la physique quantique associée aux petits objets et ne pas basculer vers la physique classique des gros systèmes. Alors, ils ont eu l’idée de construire leur gros atome artificiel avec des milliards d’atomes d’aluminium refroidis à près de -273 °C. À cette température proche du zéro absolu, l’atome artificiel ainsi assemblé garde certaines propriétés quantiques. Ensuite, les chercheurs ont placé l’atome dans une cavité artificielle constituant un environnement très «propre» sur lequel les effets de la physique classique se faisaient beaucoup moins sentir. «On a pris l’idée de l’électrodynamique quantique en cavité et on a fait la même chose avec un circuit électrique de façon à avoir des niveaux quantifiés comme avec de vrais atomes», indique Alexandre Blais.

Naissance d’un qbit

Avec ses deux niveaux d’énergie, ce circuit quantique intégré forme un système pour stocker de l’information sous forme de qbits, un peu comme un bit d’ordinateur classique. En les assemblant, ces qbits formeraient les blocs de base pour construire l’ordinateur quantique. Mais contrairement à un bit représenté par un 0 ou par un 1, le qbit permet d’avoir une superposition de 0 et de 1 en même temps. C’est précisément cette propriété de superposition d’états qui permet d’obtenir une rapidité et une puissance de calcul de beaucoup supérieure aux ordinateurs classiques pour certaines applications. Pour avoir une idée de la supériorité des ordinateurs quantiques, disons que le nombre de bits classiques équivalents à la puissance de calcul de 300 qbits est plus grand que le nombre d'atomes dans l'univers visible.

Il n’y a pas que l’informatique quantique dans la vie…

Pour le moment, avec un seul qbit, Alexandre Blais avoue qu’on est encore loin des centaines de millions de bits que représentent les transistors des micro-ordinateurs. Toutefois, la théorie pour associer deux qbits est déjà en place et les travaux expérimentaux entamés. Le chercheur ajoute que si l’ordinateur quantique ne voit finalement jamais le jour, il aura néanmoins appris beaucoup de choses sur la mécanique quantique, sur la physique et sur la nature pour justifier à ses yeux ce type de recherche : «Pour moi, la motivation n’est pas tant l’informatique quantique que l’exploration de la mécanique quantique de façon nouvelle.» Il cite en exemple la possibilité offerte de s’en servir pour comprendre certains effets optiques non linéaires. En effet, la cavité artificielle construite agit comme un appareil de mesure extrêmement sensible, capable de détecter un seul photon d’une puissance très faible. Par comparaison, la puissance d’une ampoule domestique est de 21 ordres de grandeur plus élevé..

Un petit supercalculateur avec ça…

Lorsqu’on lui demande quels sont les équipements dont il a besoin pour démarrer son travail de recherche à Sherbrooke, Alexandre Blais n’est pas très exigeant : «Pour continuer à travailler sur la théorie de cette expérience, cela représente essentiellement beaucoup de travail analytique et un peu de calcul numérique. C’est-à-dire beaucoup de papier et quelques crayons.» Il ajoute presqu’aussitôt en riant qu’il va quand même demander l’autorisation d’utiliser le supercalculateur Mammouth pour faire de la modélisation plus précise qu’à Yale. Confiant, il ne croit pas qu’il ait trop de problèmes à l’obtenir…

Pour finir, Alexandre Blais révèle l’état d’esprit qui l’habite alors qu’il s’apprête à revêtir ses nouveaux habits de professeur : «Finalement, on est particulièrement chanceux puisqu’on est payé pour faire ce qu’on aime le plus dans la vie…»

Décembre 2005