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Françoise Breton - 23/11/2011

Mazyar Mirrahimi : Vers une ingénierie des systèmes quantiques

Mazyar Mirrahimi de l’équipe Sisyphe a co-signé récemment un article remarqué dans la revue Nature en collaboration avec l'équipe de Serge Haroche et Jean-Michel Raimond de l'ENS et Pierre Rouchon de l’Ecole des Mines de Paris. Entretien avec un automaticien passionné par les problèmes de physique quantique.

Quel a été votre parcours ?

Mazyar Mirrahimi : J’ai fait ma première année d’étude supérieure de mathématiques en Iran puis je suis venu en France pour intégrer l’Ecole Polytechnique suite à des auditions que l’école organisait régulièrement sur place. La majeure partie des étudiants iraniens part aux Etats-Unis mais j’ai été attiré par le programme très varié de l’Ecole Polytechnique car j’aimais les mathématiques mais n’étais pas encore décidé à en faire mon métier. 

Au cours de mes études à Polytechnique, j'ai eu l'occasion de rencontrer mon futur directeur de thèse, Pierre Rouchon, mathématicien et automaticien à l’Ecole des Mines. Il s’intéressait depuis peu à des problèmes d’automatique à l’échelle quantique. J’ai commencé avec lui à me familiariser avec la physique, notamment en suivant les cours de Serge Haroche au Collège de France (chaire de physique quantique) avec qui nous avons travaillé par la suite et publié dans Nature. A la fin de ma thèse, après avoir été recruté chez Inria en 2006, j’ai effectué des séjours à Caltech, aux Etats-Unis, dans un laboratoire de physique connu pour avoir réalisé les premières expériences en automatique quantique. Ces séjours m’ont donné l’occasion de rapprocher mon travail théorique de l’expérience.  

Où cet intérêt pour l’informatique quantique vous a-t-il conduit ?

Mazyar Mirrahimi : A mon retour en France, le groupe de Serge Haroche et Jean-Michel Raimond à l’ENS venait de réaliser des expériences très intéressantes sur le contrôle de systèmes quantiques et plus précisément, sur la mesure non-destructive de l'état d'un champ quantique piégé dans une cavité micro-onde, un problème qui suscite de nombreuses recherches depuis une vingtaine d’années.

En effet, pour contrôler un système classique, nous effectuons tout d'abord une mesure sur le système et nous agissons en fonction de ce que nous avons observé. Par exemple, le thermostat d’un radiateur observe la température de la pièce et, en fonction de cette température et de la consigne choisie, la radiateur va ou non continuer à chauffer. Lorsqu’il s’agit de contrôler des particules ou un système quantique de cette façon, le fait même d’observer perturbe le phénomène. L’expérience faite à l'ENS visait à observer l’état d’un champ quantique sans le perturber.

L'étape suivante consistait à utiliser cette information pour contrôler l’état du champ afin de le stabiliser, avec un nombre précis de photons. C’est là qu’interviennent nos travaux. Nous avons fourni un algorithme qui permet d'estimer l'état du système à partir de mesures partielles, imparfaites et corrompues par des "bruits expérimentaux", et qui permet par la suite de contrôler l’état du système afin de le stabiliser autour de l'état quantique désiré.

Pouvoir contrôler l’état quantique d’un système ouvre-t-il la voie à l’ordinateur quantique ?

Mazyar Mirrahimi : L’expérience réalisée avec le groupe de l'ENS a été la première expérience de contrôle par rétroaction en temps réel d'un système quantique. Cela montre la possibilité de stabiliser ces états quantiques, qui sont les éléments de base, pour atteindre un traitement robuste de l'information quantique. Cela dit, pour avancer vers un véritable ordinateur quantique, nous avons besoin de coupler plusieurs de ces systèmes quantiques, ce qui semble très difficile pour ce genre de dispositif en optique quantique. Ce problème a amené les chercheurs du domaine de la physique mésoscopique à privilégier plutôt les circuits supraconducteurs à basses températures. Je suis actuellement pour un an à l'université de Yale, où je travaille avec le groupe de Michel Devoret (professeur à Yale et titulaire de la chaire de physique mésoscopique du Collège de France) sur certaines expériences dans le but de réaliser des portes logiques et les mémoires d'un ordinateur quantique. On sent poindre le début d’une ingénierie des systèmes qui obéit à des lois quantiques ou « ingénierie quantique ».

Dans quels autres domaines cette ingénierie quantique pourrait-elle avoir un impact ?

Mazyar Mirrahimi : Il y a tout un champ d’applications possible, notamment en métrologie pour améliorer la précision des mesures, comme on l’a fait pour l’horloge atomique. On pourrait envisager, par exemple, d’améliorer les mesures d’amplitude d’un champ magnétique et la stabiliser. Certaines applications comme la cryptographie quantique ou la communication quantique sont basées sur ces mêmes lois et sont plus faciles à obtenir. Il y existe déjà des prototypes industriels qui permettent de communiquer de l’information par des fibres optiques en la cryptant de façon quantique par la polarisation des photons de la lumière.

Quels sont vos projets après Yale?

Mazyar Mirrahimi : Le groupe de Yale fait des expériences sur les circuits supraconducteurs et je suis venu pour apprendre les outils et les principes de cette physique mésoscopique. Ce groupe, dirigé par Michel Devoret, travaille également avec un laboratoire de physique à l’ENS. A mon retour j’aimerais continuer sur ces expériences avec ce laboratoire.

Mots-clés : INRIA Paris - Rocquencourt Automatique Mazyar Mirrahimi Physique quantique Équipe sisyphe Ordinateur quantique Cryptographie quantique

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