Table Ronde - rencontres-numerique-anr.fr€¦ · la mécanique quantique Avec le loi de Moore, le nombre de transistors par puce double tous les deux ... • De nouveaux paradigmes

Table Ronde « Technologies Quantiques »

Mercredi 16 novembre 2016 – 15h30-17h00Salle 1

Les technologies quantiques

Les technologies modernes de l’information sont basées sur

la mécanique quantique

Avec le loi de Moore, le nombre de

transistors par puce double tous les deux

ans et on va bientôt atteindre le niveau où

le signal est transmis par des électrons

individuels

Classical Regime

Quantum Regime

1995 2000 2005 2010 2015 20201990

104

103

102

101

1

0.1

Year

Ele

ctr

ons /

devic

e

La seconde révolution

quantique

L’utilisation de particules individuelles (photons,

electrons, atomes….) avec leurs propriétés

quantiques de

• superposition

• intrication

ouvre la voie à de nouvelles technologies pour

• faire des mesures de précision

• traiter l’information

Atomes dans des réseaux optiques

Circuit supraconducteur

Intervenants

Table ronde - Technologies Quantiques 5

Autres membres ANR : Pascal ROYER (Responsable scientifique), Magdalèna COUTY, Fatiha BOUDJAINE, Fabien GUILLOT, Aladji KAMAGATE (Chargés de projets scientifiques)

Nom Organisme d’affiliation Thématique abordée

Elisabeth GIACOBINO Agence Nationale de la Recherche Modératrice

Jean-François ROCH Laboratoire Aimé Cotton – Orsay Capteurs

Sébastien TANZILLILaboratoire Physique de la matière

condensée – Nice Cryptographie

Structuration nationale (GDR)

Christophe SALOMON Laboratoire Kastler Brossel – Paris Simulations

Thierry DEBUISSCHERTThalès Research & Technology –

PalaiseauApplications capteurs et

mesures

Denis VION CEA – Saclay Ordinateur quantique

Cyril ALLOUCHE Atos – Les Clayes-sous-Bois Algorithmes

Jean-François ROCH


Professeur à l'ENS Paris-SaclayDirecteur du Laboratoire Aimé Cotton – Orsay

Capteurs

Capteurs quantiques (1)La première révolution quantique explique la structure des atomes et leurs interactions

influence de paramètres externes -> capteurs

Exemple : magnétomètre atomique

La deuxième révolution quantique repose sur l’utilisation de systèmes quantiques individuels

et leur contrôle

Capteurs quantiques (2)

a

MW AFM tip

Objective

antenna

NV defect

Magnetic structure

PL

(kcn

ts/s

)g

(2)(τ

)

c

2 μm

d

1.5

1.0

0.5

0.0-100 0 100

Delay ! (ns)

Bz = 0.4 mT

Bz = 1 mT

b

No

rma

lize

d P

L

1.0

0.9

1.0

0.9

2.902.852.80

MW frequency (GHz)

Nano-magnétomètre à spin unique

centre NV du diamant

; ( +*=( , 5%"6"8-( +*> ) &%. 0) ( +

J L$5+# / ;2) " ' 8$H/2' ) H/ - 8$%$! "#$%&' ($" () ! &)"&! *&%+(

P."# - 8$/ ;. ,2[\," +08$93&$O2;2+8- 2/ =$S! 5$O2,+8$

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7Q"G1<8+H/ - =$$C'( , . "%*$( +*+'#) , ' ) #( +*( '*$( +*#( ++") #, ( +*$) *+") +H+"6G*

PGG;+(2) " ' 8%$28.,"G1<8+H/ - =$12/ .- 8$Q' - ,7+- 8=$(1+# +- $H/2' ) H/ - =$

# Q(2' +8# - 8$: +" ;"7+H/ - 8=$$, "%, ( 1. "%*$( *%") @( &) I *

B &'C#-&) I *+) 1#&H, "%$) , ' ( ) #+G**

] $

CL$32G.- / ,8$- .$# Q.," ;"7+- $H/2' ) H/ - 8$%$&! (, -. ) /0/12(, 340/5"%("&67 %+(

? +( ," [# 27' Q."# V.,- $9P3$F ,82<$

I <,"# V.,- $$Z8/ ,$G/ ( - Z$5^4_S=$F : 8L$O2,+8=$_12;- 8$Gyromètre à onde de matière

sur “puce atomique”

Les propriétés quantiques(intrication, ingénierie d’états,

mesure QND,…)peuvent être mises à profit

comme « ressources »ex : sensibilité pour N atomes

de 1/sqrt(N) à 1/N

Sébastien TANZILLI


Directeur de Recherche à l'Institut de Physique de Nice à l'Université Côte d'Azur

Directeur du GDR « Ingénierie Quantique »

Cryptographie quantique : Des idées de laboratoire aux systèmes

de terrain

Sécuriser les données, un pb de société

• À clé publique– Pratique à implémenter– Sécurité algorithmique (n=p*q)

factoriser de grands N est très difficile– Sécurité non démontrée

mathématiquement

• À clé privée (masque jetable)– Un message ➜ une clé– Peu utilisée à part pour les grands secrets– Sécurité absolue si la clé est aléatoire et

de même longueur que le message (opération XOR)

Qu’est que la cryptographie ?

– Dissimuler (chiffrer/déchiffrer) des données / à un adversaire– Depuis l’antiquité : bataille sans fin entre inventeurs et espions

• Où intervient la Physique Quantique ?

➜ dans l’établissement des clés secrètes à distance !Table ronde - Technologies Quantiques 10

AliceBob

Comment ça marche ?Principe basé sur l’exploitation

de photons uniques et de la mesure en physique Q

{H,V}

0

1

{D,A}0

1Photons uniques polarisés

H horizontal, V verticalD diagonal, A anti-diagonal0 & 1 valeurs des bits logiques

PB

S

Polaroïd

SPS

VD

H

A

Cube polar

Base création = base analyse ➜ résultats déterministes (clés)Base création ≠ base analyse ➜ résultats incompatibles (éliminés) 11

Où en est-on ?

• En laboratoire– Nbx groupes de recherche/consortium– Couplage théoriques et expérimentaux– Débits > 10 Mbits/s, 10 km– Distance record ~300 km (10 bits/s)– Crypto Q par satellites– Rx métropolitains (hauts débits sur 100 km)

• Au niveau industriel– Quelques compagnies, spin-off de

groupes universitaires– Sécurisation de votations, de

transactions bancaires, d’événements

Aller/retour incessant entre développements technologiques et conceptuels

➜ en std 1 Mbits/s sur 50km, loin des prouesses des télécoms


GDR CNRS« Ingénierie Quantique, des aspects

Fondamentaux aux Applications » – IQFA

Une structuration pertinente et efficace d’une communauté

pluri-disciplinaire, regroupant académies & industries

http://[email protected]

http://gdriqfa.unice.fr/

mailto:[email protected]

Thématiques & organisation

Algorithmes& Computing

SimulationCapteurs

& MétrologieCommunication& Cryptographie

Établir et exploiter la suprémacie Q➜ technologies innovantes & sociétales

Aspects Fondamentaux(protocoles, contrôle & manipulation)

http://gdriqfa.unice.fr [email protected]

http://gdriqfa.unice.fr/

mailto:[email protected]

Christophe SALOMON


Directeur du groupe « Gaz de Fermi ultrafroids » à l’Ecole Normale Supérieure – Paris

Principal investigateur de la mission spatiale ACES /PHARAO

Simulations

Simulating Physics with ComputersRichard P. Feynman, Received May 7, 1981

1) Calculateur quantique universelrecherche très active mais formidablement difficile

2) Simulateur quantiqueUtiliser un autre système (des atomes ultrafroids) pour résoudre les problèmes qui sont trop difficilespour des ordinateurs classiques

Simulation Quantique

Peut-on simuler la physique quantique avec des ordinateurs ?Croissance exponentielle de l’espace des états avec le nombre de particules

intractable, en particulier pour les fermions

“Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical...”

Les gaz quantiques ultrafroids sont de bon simulateurs quantiquesMesurer les propriétés du système, l’énergie de l‘état fondamental, le spectre d’excitations, la réponse dynamique comme les modes collectifs, …

Un système à N-corps générique peut être décrit avec un petit nombre de paramètres

Dimensionalité et la forme du potentiel: 3D, 2D, 1D, uniforme, harmonique, periodique, désordonné

Charge et magnétisme, force de Lorentz:

Statistique quantique: fermions, bosons, ex: lithium 6 fermions ou 7Li bosonsInteraction entre particules: courte portée, longue portée, ajustable


k/kF1

n(k)

1

k/kF1

n(k)

1

Simulation quantique

transition superfluide-isolant de Mott

2 3 7

0.4

92c

YBa Cu O

d nm

T K

Bloch et al., MPQ 2010

Greiner et al., Harvard

Voir les atomes un par un

0.5

1c

d m

T K

0.5 micron 17

~

~

~

Accord à 3% avec une théorie récente pour la phase normale en interaction forte

L’équation d’état d’un gaz

de Fermi fortement corrélé

Theory:Van Houcke,Werner,Kosik, Prokof’ev,Svistunov, Ku, SommerCheuk, SchirotzekZwierleinNature Phys.,2012

S. Nascimbène, N. Navon, K. Jiang, F. Chevy, C. Salomon, Nature 2010

Etoile à neutrons

a = -18.6 fm, n~2 1036cm-3

Tc=1010 K , T=TF/100

Spin 1/2

Normal phase

Superfluide


Thierry DEBUISSCHERT


Responsable de l’activité Physique Quantique Appliquéeau sein de Thalès Research & Technology – Palaiseau

Applications capteurs et mesures

Applications des technologies quantiques

• Applications– gravité, accélérations, rotations

– Temps & fréquence

– Champ magnétique et électrique

– Analyse de spectre RF

• Contraintes spécifiques– Technique : sensibilité, précisions, etc

– Produit : coût optimisé, fiabilité, simplicité de fabrication

• Nouveaux produits à partir de la recherche– Performances améliorées

– Nouvelles fonctionnalités sans équivalent classique

Thales Electron Devices

Démonstrateurs basés sur les technologies quantiques

• Communications sécurisées

– Distribution quantique de clés• TRT / LCFIO

• Variables continues

• Composants telecom

• Démonstrateurs de terrain

• Analyse de spectre RF

– Spectral Hole burning• TRT / LAC

• Cristaux dopés terre-rare

• Bande d’analyse : 20 GHz

• Centres NV du diamant

– Senseur état solide à température ambiante

• TRT / LAC

• Magnétomètre

• Analyseur de spectre RF

• Atomes froids sur puce

– Gravimètre , accéléromètre, horloge

• TRT / LCFIO

Recherches en cours sur les technologies quantiques

BEC sur puce

Denis VION


Physicien expérimentateur dans le groupe Quantroniqueau Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC) du CEA – Saclay

Ordinateur quantique

Table ronde - Technologies Quantiques

L’ordinateur quantique

Superposition:

+ Linéarité:

= Parallélisme massif => accéleration quantique ne pas tout perdre à la lecture du résultat => algorithmie quantique

|Qr> = |0000> + |0001> + …. + |0111> + |1111>

Q-registre

Op (|Qr>) = Op (|0000>) + … + Op (|1111>)

Plusieurs architectures:

• adiabatique (Dwave)• à portes logiques• …

Plusieurs supports

• photons• atomes, ions, spins• circuits électriques

Exemple:Le processeur à portes logiques

0 1?

1

0U2

0 1? 1

0

…

U1 U1

U2

…

U2


Exemple:Le processeur à 5 qubit d’IBM

IBM Research

15 mK-273.13°C

Jouez avec sur https://quantumexperience.ng.bluemix.net !!!26

https://quantumexperience.ng.bluemix.net/

Les verrous

1) Vaincre la décohérence quantique• meilleurs qubits• code correcteurs d’erreur• architecture (surface code ?)• intégration à grande échelle ?

2) Quoi faire avec un ordinateur quantique ?• quels algorithmes quantiques ?• quel encodage particulier (analyse des ressources) ?

|Qr> =

|0000> + |0001> + …. + |0111> + |1111>

|0000> ou |0001> ou …. ou |0111> ou |1111>

|0000>

déphasage

relaxation


Cyril ALLOUCHE


Directeur de l'innovation et de la recherche au sein du centre de R&D d'Atos-Bull

Responsable du programme de R&D en informatique quantique du groupe Atos

Algorithmes

Quels algorithmes pour l’ordinateur quantique?

• Classe encore restreinte d’algorithmes théoriquement efficaces – ex:cryptanalyse(Shor), recherche quantique (Grover), inversion de matrices, estimation de valeurspropres… souvent sous conditions d’applicabilité

• Besoin de qualifier plus finement l’efficacité pratique:– nombre de ressources quantiques utilisées (qubits, portes, canaux de communication)– applicabilité des conditions sur des problèmes réels– accélération réelle face à des solutions classiques distribuées

• Principaux domaines d’investigation:– apprentissage automatique - repliement de protéines– chimie quantique - processus aléatoires– optimisation linéaire …..

Quelles mises en œuvre?

• De nouveaux paradigmes de programmation à trouver

• Des exigences de l’ingénierie logicielle à satisfaire

• De nouvelles architectures de calcul à construire – hybrides etdistribuées

QUESTIONS ET ÉCHANGES AVEC L’AUDITOIRE

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