Physique et Applications Quantiques

Avec plusieurs collègues de Brest et Nantes, nous avions lancé en 2020/2021 un sujet inter-semestre avec le titre de « Les 24h de la Physique Quantique ». Pour la rentrée 2022/2023, nous avons décidé de proposer une unité d’enseignement de 40 heures avec le titre « Physique et Applications Quantiques ».

La Physique Quantique a été formulée il y a seulement 100 ans. Environ 6 générations de physiciens s’y sont succédés. Cette nouvelle physique a permis d’expliquer les propriétés ultimes de la lumière et de l’atome avec un succès extraordinaire. Avec une nouvelle constante de la nature, la constante de Planck, l’atome a été décrit avec une précision sans égal, et cela n’est qu’un de multiple exemple du succès de la physique quantique.  L’extension de la physique quantique aux énergies comparables à mc² n’est pas du tout trivial et a donnée naissance au Modèle Standard de la physique, basé sur la théorie quantique de champs,  dont la validation ultime a eu lieu en 2012 avec la découverte du Boson de Higgs au LHC du CERN.

A milieu du XXème siècle, la Physique Quantique a permis la compréhension et le développement des technologies autour du nucléaire, des matériaux et de l’optique quantique, notamment avec le semi-conducteurs, la conception du transistor et la conception et fabrication de lasers.  C’est la première révolution quantique. Le développement de la cryogénie de l’optique, de la micro-électronique a permis l’observation de phénomènes quantiques à des échelles de plus en plus grandes comme les atomes, voire molécules, froids ou la micro-électronique supraconductrice. Aujourd’hui ces développements ont abouti à de nouvelles technologies quantiques qui permettent la conception de capteurs quantiques, la communication en utilisant la cryptographie quantique  et la fabrication des premiers processeurs quantiques NISQ (Pour Noisy Intermediate Scale Quantum technologies). Les experts du domaine annoncent un déploiement majeurs de ces applications quantiques dans notre vie courant dans les années à venir. C’est la 2^ème révolution quantique.

Malgré ce succès sa faille de la physique quantique, elle pose encore des problèmes métaphysiques et philosophiques qui donnent le vertige comme  l’intrication, la non-localité, la décohérence, ou le paradoxe d‘une description quantique de l’Univers sans les univers parallèles.

Ce cours de physique quantique vise à couvrir les bases nécessaires pour résoudre des problèmes simples de physiques quantiques et en parallèle vous faire découvrir l’ingénierie de la 2^ème révolution quantique. Le cours est partagé d’une part par un volume équilibré de cours et de TD sur 30h. D’autre part, ces cours incluront une série de séminaires données par de chercheurs de référence en informatique quantique en cryptographie et enfin en métrologie : Philippe BOUYER chercheur CNRS de l’Institut d’Optique IOGS, cofondateur de la société μquans, Antoine BROWAEYS chercheur CNRS au laboratoire Charles Fabry de Institut d’Optique IOGS et cofondateur de la start-up Pasqal, Pascale SENELLART, chercheuse CNRS au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) du CEA et cofondatrice de la société Quandela et Romain ALLEAUME enseignant chercheur à Telecom-Paris au Laboratoire Traitement et Communication de l'Information expert en cryptographie quantique.