L’objectif de PQ2 est d’appuyer la recherche collaborative et d’aider les équipes de recherche québécoises à résoudre des défis scientifiques et technologiques de grande envergure. Pour ce faire, PQ2 fait appel à l’ensemble des acteurs et actrices de la chaîne d’innovation québécoise et finance directement un portefeuille varié d’activités dans le domaine de la photonique quantique, à tous les stades de maturité technologique, en abordant des thématiques d’envergure et stratégiques au développement du domaine, de ses applications et de ses retombées à court et long termes profitant à l’économie québécoise.

Lors de son premier appel à projets lancé en juin 2021, PQ2 a reçu les propositions de projets de 15 équipes de recherche québécoises comprenant plus d’une quarantaine de chercheuses et chercheurs. Ces projets ont été évalués par un comité d’experts formé de cinq chercheurs de l’international. Suite à la recommandation de ce dernier, le conseil de gouvernance de PQ2, présidé par François Bertrand, directeur de la recherche et de l’innovation à Polytechnique Montréal, a donné son aval pour le financement de neuf projets à fort impact pour le domaine de la photonique quantique.

« Ces neuf projets combinent la force du Québec en optique-photonique à un domaine en pleine émergence dans lequel on se démarque déjà : la quantique », déclare Pierre Fitzgibbon, ministre de l’Économie et de l’Innovation et ministre responsable du Développement économique régional. « On veut voir découler de ces projets de recherche des applications qui permettront à nos entreprises d’innover à travers plusieurs secteurs importants, comme l’intelligence artificielle et les sciences de la vie. »

« De très haut calibre selon le comité d’experts international, les projets annoncés permettront aux équipes de recherche québécoises d’accélérer l’émergence de découvertes et d’innovations afin de faciliter le virage quantique de l’industrie photonique québécoise. Nous avons été impressionnés par la qualité des équipes de recherche, formées de chercheurs universitaires et industriels, ainsi que par la richesse de leurs expertises. Nous sommes sûrs que ces équipes, dotées de nouveaux moyens pour faire face à l’importante compétition internationale, relèveront des défis encore plus ambitieux dans ce domaine technologique en pleine émergence », souligne Sébastien Francoeur, directeur de PQ2 et professeur titulaire au Département de génie physique de Polytechnique Montréal.
 

De gauche à droite, les professeurs Sébastien Francoeur, Nicolas Godbout, Stéphane Kéna-Cohen et Denis Seletskiy.

Voici un descriptif des trois projets menés par des chercheurs de Polytechnique Montréal qui ont obtenu un appui de PQ2 et du MEI :

Sources brillantes fibrées de photons intriqués
Chercheur : Nicolas Godbout, professeur titulaire et directeur du Département de génie physique

L’imagerie et la métrologie optique sont limitées en résolution et en bruit par la nature quantique de la lumière et de la matière. Paradoxalement, cette même nature quantique permet de surpasser ces limitations avec des sources non-classiques, comme par exemple dans l’interféromètre LIGO pour la détection d’ondes gravitationnelles.

On associe souvent le caractère quantique de la lumière à sa granularité et on s’attend à ce qu’elle n’existe que lorsqu’on compte les photons individuellement. Mais il est en fait tout-à-fait possible de concevoir des sources non-classiques avec des flux de photons macroscopiques.

Parmi les applications potentielles de la technologie figurent la spectroscopie de la matière, la tomographie des états quantiques de la lumière et la tomographie en cohérence optique, une modalité d’imagerie biomédicale utilisable in vivo à l’aide de petites sondes capillaires fibrées, qui constituera la première démonstration des avantages de notre source brillante de photons intriqués.

L’équipe du projet, menée par le professeur Nicolas Godbout, en collaboration avec la professeure titulaire Caroline Boudoux, du Département de génie physique de Polytechnique, et le professeur Younès Messaddeq, de l'Université Laval, obtient un appui de 118 430 dollars pour mener ses activités de recherche.

Spectroscopie quantique infrarouge à transformée de Fourier 
Chercheur : Denis Seletskiy, professeur agrégé au Département de génie physique

Une pléthore de résonances fondamentales dans la matière se situe dans le domaine spectral infrarouge, par exemple les modes collectifs dans les solides (phonons) et structures rotationnelles vibrationnelles dans les liquides et les gaz. Ces caractéristiques sont traditionnellement identifiées au moyen d'un spectromètre infrarouge (IR) à transformée de Fourier (FTIR), qui obtient l'absorbance de l'analyse grâce à une analyse spectrale de sa transmission IR, nécessitant, pour les détecteurs lents, l'accès au signal optique d'autocorrélation. La simplicité inhérente de ces spectromètres classiques les rend omniprésents dans les installations de recherche et les applications sur le terrain, comme la sécurité des aéroports ou encore la détection spatiale.

La motivation principale de l’équipe de recherche est de tirer parti des avantages de la photonique quantique vers un spectromètre FTIR de nouvelle génération (q-FTIR) avec une amélioration spectaculaire de ses performances.

Le projet est mené par le professeur Denis Seletskiy, en collaboration avec le professeur titulaire Sébastien Francoeur, du Département de génie physique, et le professeur Réal Vallée, de l’Université Laval, et obtient un appui de 128 510 dollars.

Une plateforme active pour la photonique quantique dans la bande C à base de terre rare
Chercheur : Stéphane Kéna-Cohen, professeur agrégé au Département de génie physique

Les systèmes de communication quantiques reposent sur la capacité à générer, manipuler et stocker des états quantiques de lumière. L’exemple le plus simple étant une série d’impulsions lumineuses où chaque impulsion ne contient ni plus ni moins qu’un seul photon. Ces technologies permettent déjà la transmission d’informations ultrasécurisées à l’aide d’un algorithme codéveloppé à l’Université de Montréal.

À l’avenir, les réseaux de communications quantiques permettront l’implémentation de calculs quantiques distribués et le développement de capteurs quantiques ultrasensibles distribués. Une particularité unique de l’information quantique est qu’il est impossible de la cloner. Cette force est également un défi pour l’implémentation de réseaux à grande échelle due aux pertes intrinsèques dans les fibres optiques. Pour surmonter ce défi, le développement de répéteurs quantiques est essentiel.

À cette fin, l’une des plateformes les plus prometteuses est celle des terres rares. Ces matériaux interagissent fortement avec la lumière et permettent le stockage d’information quantique dans leur spin. Ce projet de recherche ambitionne de développer une plateforme pour les répéteurs quantiques reposant sur l’utilisation de terres rares opérant à une longueur d’onde compatible avec les réseaux de fibres optiques existants. Plutôt qu’utiliser des cristaux massifs comme c’est présentement le cas, l’équipe propose de développer des couches minces polycristallines pouvant être combinées avec des puces optiques à base de silicium.

Le projet est mené par le professeur Stéphane Kéna-Cohen, en collaboration avec le professeur titulaire Ludvik Martinu et le professeur adjoint Sean Molesky, du Département de génie physique de Polytechnique, ainsi que le professeur François Schiettekatte, de l’Université de Montréal, et reçoit un appui d’un montant de 130 064 dollars.

Nombreuses collaborations de Polytechnique à des projets en photonique quantique

Également, plusieurs chercheurs de Polytechnique collaborent aux projets suivants, qui ont obtenu un soutien de la part de PQ2 et du MEI :

ELOQUENT : Interconnexions efficaces, à faibles pertes et évolutives entre les dispositifs photoniques quantiques intégrés et les fibres optiques pour le développement de réseaux de communication quantique

Les réseaux quantiques (constitués de nœuds locaux intégrés - sources de photons - interconnectés via une infrastructure à fibre optique) peuvent fournir une solution révolutionnaire en matière de communication sécurisée, par exemple dans la transmission de données personnelles, bancaires et gouvernementales. Cependant, deux principaux goulots d'étranglement empêchent un tel développement, d’une part les pertes de photons et d’autre part l'absence d'une interconnexion robuste entre les nœuds locaux. Cette proposition vise à résoudre ces problèmes et à développer des interconnexions efficaces, à faible perte et évolutives entre les puces photoniques quantiques et les fibres optiques, une étape cruciale vers la commercialisation de systèmes de communication quantiques sécurisés.

Raman Kashyap, professeur titulaire au Département de génie électrique et au Département de génie physique, est impliqué dans ce projet mené par les professeurs Roberto Morandotti, Luca Razzari, José Azaña et Sharif Sadaf, de l'INRS, en collaboration avec le professeur Pablo Bianucci, de l'Université Concordia, et la professeure Odile Liboiron-Ladouceur, de l'Université McGill.

Ingénierie moléculaire des interactions excitoniques entre couches par effet Stark sous confinement quantique

Un avantage important de la photonique quantique par rapport aux autres plateformes pour les technologies quantiques ressort du fait que la lumière interagit très faiblement avec son environnement. Cela permet à l'information quantique stockée dans la lumière d'y être préservée très longtemps. En langage quantique, le temps de décohérence est long. Cet avantage, par contre, soulève aussi un important défi. Dans plusieurs contextes, pour utiliser un état quantique, il faut le manipuler et la faible interaction de la lumière avec les matériaux rends cela difficile.

Le groupe de recherche du professeur Kéna-Cohen, de Poytechnique, a récemment identifié une bicouche atomique interagissant très fortement avec la lumière et permettant la réalisation d’interactions effectives fortes entre les photons. Cette interaction se fait par le biais de paires électrons-trous polarisées créés dans le matériau. À présent, cette polarisation est créée de manière aléatoire en fonction des défauts qui sont naturellement présents dans la bicouche.

Dans un projet piloté par le professeur Emanuele Orgiu, de l'INRS, des couches moléculaires polaires auto-assemblées seront fabriquées de part et d’autre des bicouches atomiques. Cela augmentera de manière significative le degré de polarisation interne et conséquemment la force d’interaction, ainsi que la reproductibilité de l’effet. En combinant ces couches avec des cavités optiques, l’équipe espère pouvoir générer des interactions entre photons si fortes qu’elles seront sensibles à l’échelle du photon unique.

Le professeur Stephane Kéna-Cohen met son expertise à profit dans le cadre du projet du professeur Orgiu, qui est réalisé en collaboration avec les professeurs Fabio Boschini et François Légaré de l'INRS.

Polaritonique quantique topologique

La découverte des phases topologiques de la matière a profondément révolutionné notre compréhension de la matière condensée. Leur influence a mené, notamment, à une compréhension plus profonde des plateaux de conduction dans l’effet Hall quantique et à la perspective de bâtir des ordinateurs quantiques tolérants à l’erreur. Cette physique topologique n’est cependant pas limitée aux électrons dans les solides, mais peut s’étendre à tous types d’ondes se propageant dans un potentiel périodique présentant des propriétés de symétrie précises.

Cette constatation a mené au développement d’un domaine de recherche émergent, la topologie photonique, visant à explorer des applications n’ayant aucun équivalent en électronique. Une des perspectives les plus prometteuses de ce domaine est d’étendre sa portée au régime quantique. En effet, considérant que l'un des principaux obstacles à la mise à l’échelle des dispositifs quantiques est lié à l’extrême fragilités des états quantiques, la topologie apparaît comme une ressource très intéressante pour les protéger du bruit ou d’autres sources de décohérence. Il s’agit de l’objectif principal de ce projet qui vise à générer des états quantiques de lumières dans des systèmes topologiquement protégés.

Les professeurs Stéphane Kéna-Cohen, Ludvik Martinu, Sean Molesky et l’associé de recherche Bill Baloukas, du Département de génie physique de Polytechnique, complètent l’équipe de ce projet qui est mené par le professeur Philippe St-Jean, de l’Université de Montréal.

Félicitations à nos chercheurs et à notre chercheuse impliqués dans ces projets!

En savoir plus

Fiche d’expertise de la professeure Caroline Boudoux
Fiche d’expertise du professeur Sébastien Francoeur
Fiche d’expertise du professeur Nicolas Godbout
Fiche d’expertise du professeur Raman Kashyap
Fiche d’expertise du professeur Stéphane Kéna-Cohen
Fiche d’expertise du professeur Ludvik Martinu
Fiche d’expertise de Sean Molesky
Fiche d’expertise du professeur Denis Seletskiy
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Site du Département de génie physique
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