Les travaux de recherche de Dany Lachance-Quirion publiés dans Science

Dans le cadre d’un stage postdoctoral à l’Université de Tokyo, Dany Lachance-Quirion s’est joint au groupe de recherche du P^r Yasunobu Nakamura. Le groupe a récemment démontré la détection d’un magnon unique en un seul coup par l’intrication d’un bit quantique (qubit) avec un système magnétique. L’envergure de cette découverte a mené à une publication dans Science : Entanglement-based single-shot of a single magnon with a superconducting qubit.

La magnonique quantique

L’équipe a démontré la première détection en un seul coup (« single-shot ») d’un magnon unique, c’est-à-dire un quanta d’excitations collectives de spin dans un système magnétique ordonné, en utilisant un qubit supraconducteur comme capteur quantique.

Pour obtenir un détecteur de magnon à haut rendement quantique, il est nécessaire de combiner, en une seule expérience, un contrôle et une lecture de haute-fidélité de l’état du qubit supraconducteur tout en créant simultanément une forte interaction dispersive entre le qubit et un mode magnétostatique d’un cristal ferromagnétique.

« La découverte de la détection de magnons unique s’est produite de façon inattendue lorsque je mesurais un certain signal. Je réduisais le moyennage du système, jusqu’à ce que je ne moyenne plus du tout et que le signal était encore présent », explique Dany. C’est en améliorant l’expérience et en peaufinant les simulations sur une période de six mois que Dany est parvenu à une efficacité quantique de 71 % pour la détection de magnons en un seul coup.

La démonstration du détecteur de magnon unique à haut rendement établit une nouvelle connexion entre la détection quantique et le magnétisme, et représente une avancée significative pour les domaines des technologies quantiques, la détection quantique, les systèmes quantiques hybrides, la magnonique et la spintronique.

Vers les technologies quantiques : de la spintronique à la matière noire

La magnonique quantique offre une plateforme pour de nouveaux développements en physique fondamentale : « tout ce qu’on a développé pour détecter un magnon unique, du niveau de contrôle à l’efficacité de la lecture du qubit, va nous permettre d’aller dans d’autres directions. »

Une application intéressante concerne la spintronique. En effet, une de ses sous-branches est la spintronique basée sur la magnonique, qui est essentiellement une onde de spin qui se propage dans un système, permettant ainsi des calculs classiques. « La limite de la sensibilité de la conversion d’un magnon à un signal électrique pour la spintronique basée sur la magnonique est alors une première application. » En d’autres mots, l’excitation d’un seul magnon est l’équivalent de faire osciller le vecteur de magnétisation dans le matériau ferromagnétique utilisé dans l’expérience par environ 10^-17 degrés. Malgré cette quantité incroyablement petite, le détecteur de magnon unique permet d’obtenir un signal électrique macroscopique.

D’un point de vue des technologies quantiques, la magnonique quantique est une démonstration des systèmes quantiques hybrides, c’est-à-dire une combinaison de différents systèmes quantiques dans lesquels les propriétés avantageuses de chacun des systèmes sont conservées. « On est parvenu à combiner des systèmes très différents, dont les qubits supraconducteurs, qui ne peuvent être mis dans un champ magnétique, avec un ferro-aimant, qui nécessite un champ magnétique incroyable. » Cette combinaison permet d’accéder à de nouveaux régimes en magnonique. Ainsi, c’est une grande étape pour les technologies quantiques en matière de systèmes hybrides quantiques.

Finalement, d’un point de vue de physique fondamentale, les spins électroniques peuvent potentiellement interagir avec des axions, des candidats de matière noire. « Imaginons que la Terre bouge à travers la galaxie et à travers la matière noire, qui se trouve un peu partout. Cela peut potentiellement produire un champ magnétique effectif, qui pourrait venir exciter les excitations collectives de spins, les magnons. En d’autres mots, en mesurant continuellement avec le détecteur de magnon unique, on peut potentiellement déterminer si la matière noire interagit avec les spins électroniques. »

L’expertise de Dany au service de l’Institut quantique

L’Institut quantique (IQ) pourra maintenant bénéficier des connaissances et de l’expertise de Dany. En effet, il poursuivra sa carrière de chercheur au sein de l’équipe de l’IQ à titre de professionnel de recherche sous la supervision de la P^re Eva Dupont-Ferrier et du P^r Michel Pioro-Ladrière. « Je suis ravie que Dany rejoigne l’IQ, mon équipe de recherche ainsi que celle du P^r Pioro-Ladrière. L’expertise, la motivation et les vastes connaissances des systèmes quantiques que possède Dany permettront de dynamiser et d’accélérer nos programmes de recherches ainsi que le rayonnement de l’IQ», explique la P^re Dupont-Ferrier.

Dans son nouveau rôle, il s’assurera que leurs laboratoires fonctionnent de façon optimale et il supervisera des étudiants. « À Tokyo, je supervisais des étudiants et je m’assurais que leurs expériences allaient bien, alors je suis très à l’aise avec ce rôle. »

En effet, Dany est certain que ses connaissances techniques vont lui être utiles dans son nouveau rôle à l’IQ, et il est heureux de pouvoir utiliser son expertise sur technologies quantiques dans le cadre du poste de professionnel de recherche.

En plus de son expérience à Tokyo, Dany a eu des expériences complémentaires pendant son doctorat à l’Université de Sherbrooke : « à la fin de mon doctorat, l’IQ lançait des appels à projets. Les étudiants étaient amenés à penser à des projets qui sortaient du programme de recherche de leurs professeurs, de monter une équipe et un budget. Cela a été une expérience incroyable qui va sans aucun doute me servir dans mes nouvelles fonctions. »

L’environnement dynamique et innovateur de l’IQ a motivé Dany à se joindre à l’équipe. Passionné de sciences, il espère devenir une partie intégrante de l’IQ afin de contribuer à son développement et à sa pérennité. « Je suis prêt à m’impliquer. J’ai la motivation et je crois avoir les connaissances scientifiques nécessaires afin de contribuer à la prospérité de l’IQ. »

Dany ajoute que quiconque souhaite réussir une démarche de publication doit d’abord croire en la valeur de ses résultats. Pour tout dire, voir ses derniers travaux publiés dans Science est une belle source de motivation pour débuter sa carrière à l’IQ.