Au M1 Lab Quantique, nous développons des systèmes quantiques hybrides visant à repousser les limites des technologies actuelles. Nos travaux regroupent plusieurs axes complémentaires, allant de la transduction microonde-optique à l’optomécanique, en passant par les qubits supraconducteurs, les boîtes quantiques et les systèmes magnoniques. En combinant modélisation, fabrication et caractérisation expérimentale, nous cherchons à concevoir les architectures quantiques de prochaine génération.
Transduction quantique
La transduction quantique vise à transférer de l’information quantique d’un mode vers un autre de nature différente. Notre groupe s’intéresse particulièrement à la transduction microonde-optique médiée par une interaction magnéto-optomécanique, où l’information encodée dans un photon microonde est transférée vers un photon optique ou télécom, ou inversement, par l’intermédiaire d’un système mécanique. Ce type de transduction est essentiel pour l’informatique quantique distribuée, car il permet d’intriquer des qubits supraconducteurs distants et de les interconnecter à travers un réseau optique. Ces recherches ouvrent la voie au développement de processeurs quantiques modulaires et distribués. Notre équipe travaille sur l’ensemble de la chaîne de développement : conception, modélisation, optimisation, fabrication et caractérisation des dispositifs, ainsi que sur les outils logiciels permettant de distribuer l’information et corriger les erreurs au niveau du réseau.
Optomécanique en régime microonde pour l’atteinte du couplage fort à un photon
L’optomécanique quantique étudie l’interaction contrôlée entre la lumière et le mouvement mécanique à des échelles où les effets quantiques deviennent significatifs. L’objectif de ces travaux est d’atteindre le régime de couplage fort, dans lequel un seul photon peut échanger de l’énergie de manière réversible avec un oscillateur mécanique. Pour y parvenir, nous étudions le mécanisme de couplage magnétomécanique afin de maximiser l’interaction entre un circuit microonde supraconducteur et un système mécanique. Nous modélisons, concevons, fabriquons et caractérisons des structures mécaniques et des circuits de très haute qualité. Ces travaux permettent de mieux comprendre les interactions lumière–matière à l’échelle quantique et ouvrent la voie à de nombreuses applications : métrologie de précision, capteurs inertiels, transduction quantique, ainsi que la préparation et le contrôle d’états quantiques dans des systèmes mécaniques.
Boite quantique
Les qubits de spin à base de semiconducteurs représentent une voie prometteuse vers le calcul quantique, offrant plusieurs avantages uniques à cette architecture : une fabrication compatible avec la mise à l’échelle, la cointégration avec l’électronique classique, ainsi qu’un couplage direct avec les photons optiques pour la télécommunication quantique.
Notre recherche se concentre sur ce dernier aspect. Nous avons démontré qu’il est possible de peupler une boîte quantique en l’illuminant avec un laser dont la fréquence correspond à l’énergie de bande interdite du semiconducteur. L’occupation de la boîte quantique est ensuite détectée en la couplant à un résonateur coplanaire supraconducteur. Le couplage dispersif entre les deux systèmes induit un décalage de fréquence mesurable du résonateur lorsqu’un électron entre ou quitte la boîte quantique.
Cette preuve de concept ouvre la voie à de nombreuses perspectives de recherche, notamment la transduction spin–photon, la mise à l’échelle, le développement de dispositifs d’optique intégrée, ainsi que la compatibilité avec des architectures de type flip-chip.
Fabrication de qubits transmons de haute cohérence
La fabrication des qubits supraconducteurs destinés aux ordinateurs quantiques se réalise généralement sur de petites gaufres de silicium (moins de 100 mm). Nous travaillons actuellement à transposer ce procédé sur des gaufres de plus grande dimension (200 mm), tout en préservant l’uniformité des propriétés quantiques. Grâce aux avancées réalisées dans le développement de ce procédé, le projet prend une ampleur considérable. Mené en partenariat avec plusieurs entreprises canadiennes, il vise ultimement à établir, au 3iT, la toute première fonderie au Canada dédiée à la fabrication de circuits supraconducteurs.
Effets collectifs entre qubits
Les qubits constituent les briques élémentaires de l’information quantique. Quand ils interagissent dans un système comme une cavité ou un guide d’onde, ils ne se comportent pas simplement comme une somme d’éléments indépendants mais comme un tout qui est à l’origine d’effets collectifs. Notre objectif est d’étudier ces phénomènes pour comprendre comment ils pourraient, à terme, améliorer la cohérence des qubits ou permettre des opérations plus rapides.
Un des principaux défis tient au positionnement précis des qubits : le désordre spatial perturbe fortement l’émission collective. Il a été montré cependant que ces effets sont plus robustes dans un guide d’onde unidimensionnel, ce qui nous pousse à comparer différents environnements avec des niveaux de précisions réalisables en laboratoire. Les systèmes que nous visons ne sont pas encore réalisables avec les technologies actuelles, mais le développement de nouvelles techniques de fabrication pourrait rendre ces architectures accessibles.
Enfin, nous nous intéressons aussi à l’influence de la température. Des simulations antérieures suggèrent que certains effets collectifs disparaîtraient à très basse température. En confrontant simulations numériques et expériences concrètes, nous espérons confirmer ou nuancer ces résultats, et peut-être montrer que des phénomènes collectifs quantiques restent observables à température ambiante – une perspective prometteuse pour des applications plus larges.
Magnonique
Les magnons, les quanta des excitations collectives de spin, présentent un fort potentiel pour des applications en technologies quantiques, mais ils sont souvent difficiles à intégrer avec d’autres systèmes. Nos recherches se concentrent sur les systèmes quantiques hybrides combinant magnons et circuits micro-ondes, en étudiant des interactions non linéaires et hors résonance inspirées de l’optomécanique. La plateforme est construite sur des circuits micro-ondes utilisant des supraconducteurs désordonnés, dont le comportement sous champ magnétique est étudié en conditions cryogéniques. Avec les bons paramètres, nous espérons réaliser des régimes de couplage exotiques avec des films magnétiques fins fabriqués au-dessus de ces circuits.