Les émetteurs micro-ondes quantiques montrent leur potentiel

Comment la mécanique quantique influencera-t-elle les industries de demain? Et si les applications de ces technologies apparaissaient dans un futur beaucoup plus près que l’on imagine? Jérôme Bourassa, professeur associé au Département de physique de l’Université de Sherbrooke et membre de l’Institut quantique (IQ), travaille sur la conception d’une technologie quantique qui montre un grand potentiel.

En janvier 2016-2017, le Conseil de recherche national du Canada (CNRC) et la Défense nationale du Canada (DNC) se sont adressés au groupe de recherche auquel appartient Jérôme pour étudier le potentiel des technologies quantiques pour la surveillance et la télédétection dans le domaine des micro-ondes quantiques. Ces travaux ont mené à une publication dans Applied Physics Letters : Quantum-enhanced Noise Radar, en janvier 2019.

Des technologies traditionnelles aux technologies quantiques

L’article met de l’avant les possibilités d’utiliser la nature quantique des états de lumière dans le domaine des micro-ondes. Le but ultime? Voir si l’utilisation de la technologie des circuits supraconducteurs est envisageable pour développer de nouveaux outils de télédétection, de télémétrie et d’imagerie. À la base de ces technologies se trouve un émetteur quantique de signaux micro-ondes enchevêtrés, c’est-à-dire qu’ils possèdent davantage de corrélations que les signaux émis par des émetteurs classiques traditionnels. Grâce au gain permis par les corrélations quantiques, le nouvel émetteur quantique permettrait d’augmenter la sensibilité et la précision des mesures effectuées avec les micro-ondes. Par exemple, elle pourrait permettre de mettre au jour des systèmes radars capables de détecter des cibles furtives, ou encore des systèmes d’imagerie médicale procurant de plus faibles doses de radiations micro-ondes pour le patient.

La réalisation d’un tel émetteur est un défi technologique de taille. En effet, les fragiles signaux quantiques sont générés dans un système cryogénique à une température près du zéro absolu et fortement isolé du monde extérieur. Afin de les rendre utiles pour des mesures, il faut amener ces signaux à l’extérieur du système cryogénique tout en conservant au maximum leurs corrélations d’origine.

Jérôme Bourassa y voit un intérêt. « Je voyais le potentiel. J’étais très stimulé à l’idée de prendre des signaux qui sont typiquement confinés dans un système qui est excessivement froid et sortir ces signaux quantiques qui sont, par définition, fragiles, et les utiliser dans l’environnement ouvert, chaud, bruyant », explique Jérôme.

« Dans le projet, je m’occupais des calculs théoriques, des prévisions, de l’optimisation et je déterminais aussi la faisabilité technique du tout, en espérant d’avoir un gain tangible par rapport aux technologies classiques traditionnelles », partage Jérôme. Grâce à ces travaux, Jérôme et l’équipe dont il fait partie ont pu déterminer un premier concept d’émetteur quantique micro-onde fonctionnel. Avec son collaborateur, le professeur Christopher Wilson de l’Institute for Quantum Computing (IQC) de l’Université de Waterloo, le concept a été réalisé en laboratoire. Les résultats de ces travaux publiés dans Applied Physics Letters ont démontré le grand potentiel de la technologie.

Une nouvelle entreprise pour mettre en application la physique fondamentale

La recherche qu’a effectuée l’équipe sur les émetteurs micro-ondes quantiques en vue de la publication a eu des résultats positifs et concluants. Afin d’exploiter les applications qu’offre cette technologie, Jérôme a fondé une nouvelle entreprise, Qubic, en partenariat avec ses collaborateurs. « Notre objectif est d’abord de concevoir cet émetteur de micro-ondes quantiques qui peut fonctionner à température ambiante. Nous sommes la première entreprise au monde dédié au développement de technologies quantiques micro-ondes pour la télédétection et l’imagerie », explique Jérôme.

En ce moment, les systèmes d’imagerie médicale basés sur les micro-ondes sont utilisés pour détecter le cancer du sein. Cependant, il y a toujours une inquiétude par rapport aux radiations micro-ondes sur les tissus humains. Qubic souhaite améliorer ces systèmes afin qu’ils soient plus précis, et, surtout, moins intenses au niveau de la radiation micro-ondes. « Notre émetteur pourrait diminuer la dose de radiation pour avoir des images aussi claires que celles obtenues avec les technologies traditionnelles », confirme-t-il.

De plus, l’émetteur micro-ondes quantiques que conçoit Qubic pourrait être utilisé dans des systèmes de télémétrie et de télédétection. « Ces systèmes pourront être utilisés pour détecter des objets plus petits ou plus loin, ou qui seraient plus difficiles à détecter en raison des conditions qui ne sont pas favorables pour les systèmes standards. » Cette technologie pourrait notamment être au service de la Défense et de l’aviation civile.

« Notre émetteur pourrait être utile pour les systèmes de communication quantique avancés. On pourrait s’imaginer un lien de communication micro-ondes plus robuste à l’interception et au décryptage de données comparativement à des messages envoyés par des communications traditionnelles. On ne parlerait pas ici de cryptage quantique, mais de procurer un avantage quantique aux protocoles classiques afin de les rendre plus robustes. » En d’autres mots, les émetteurs de micro-ondes quantiques pourraient inspirer de nouveaux protocoles classiques inspirés de la quantique.

Les prochaines étapes pour Qubic

« Pour la prochaine année, nous envisageons d’améliorer le prototype que nous avons développé jusqu’à ce jour, dans le but de démontrer son potentiel dans une application spécifique. » Outre le développement d’un prototype précommercial, l’entreprise souhaite également attirer l’attention de collaborateurs et d’investisseurs potentiels pour amener cette technologie dans un niveau de maturité plus avancé afin de faire des essais terrain.