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Before yesterdayInstitute for Quantum Computing

Older techniques inspire new discoveries for ultracold molecules

Older techniques inspire new discoveries for ultracold molecules

Friday, November 24, 2023

Sometimes, new scientific discoveries can be made from looking at well-known methods or experimental techniques in new ways. This is the basis for new research from Dr. Alan Jamison, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and his collaborators at the Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Jamison researches ultra-cold molecules, which are made by cooling down atoms to nearly absolute zero in an atom trap. Once formed, these molecules can then be studied for applications including quantum-state-controlled chemistry, quantum simulations, and quantum information processing. One of the first great successes of cooling atoms to ultracold temperatures was the observation of the Bose-Einstein condensate. This was first achieved experimentally using magnetic atom traps in the mid 1990s by researchers including Jamison’s collaborator, Dr. Wolfgang Ketterle, for which Ketterle was awarded the 2001 Nobel Prize in Physics.

Since this time, however, while magnetic traps are sometimes used during the process of cooling atoms, it has become more common for researchers to use optical lasers to trap atoms during experiments. The optical traps are faster and can trap a wider range of atoms and molecules than just those with the specific magnetic properties needed to use the magnetic traps.

“When people started making ultracold molecules, they had to be in an optical trap to hold the right atomic states to make the molecules, and so you just naturally did the experiments with the molecules also in an optical trap,” said Jamison. “But it turns out that some ultracold molecules which were expected to be chemically stable seem to be undergoing chemical reactions caused by the light from the optical traps.”

Jamison and his collaborators reasoned that if they could remove the requirement of light from their experiments by using magnetic traps, they could then study these light-induced chemical reactions in controlled environments and explore new and exciting results.

“We study one of the few ultracold molecules that can be magnetically trapped, which gave us the freedom to study these older techniques in new ways,” said Jamison. “It’s exciting looking at these reactions without having to worry about what the light is doing. On one hand, it constrains us to only work with states that are magnetically trappable, but on the other hand it removes the constraint that we always need to have light on in the background.”

Alan Jamison headshot

To combine the best properties of magnetic and optical traps, their experiment used both trapping techniques in a new combined experimental design that removed the need for atoms to be moved between the different trap types. Atoms of sodium and lithium were cooled down to ultracold temperatures using a combination of magnetic and optical cooling techniques. To form the ultracold NaLi molecules, optical trapping was necessary, however, upon formation, the molecules can be trapped again by magnetism, so the laser light was removed.

The researchers used their newly developed trapping design to measure inelastic collisions of the molecules as a proof of concept. Their success is now inspiring studies focused on a variety of different effects, such as studying how molecules respond to the introduction of light, studying the previously problematic light-induced chemical reactions in controlled ways, or seeing if the lifetime of these ultracold molecules can be prolonged with the different trapping method.

“By looking at what's considered an older way of doing things, we're finding that we have new possibilities for the future and how we work with our molecules,” said Jamison. “It’s important to always be looking forward, but also not lose sight of what's been done in the past. People had different interests and different focus in the past, so a lot of times, they thought through things in a way you didn't, or they've done something that you forgot could be done.”

This research, Magnetic trapping of ultracold molecules at high density, was published in Nature Physics on July 31 by IQC’s Jamison, and MIT’s Ketterle, Juliana Park andYu-Kun Lu.

Four illustrated panels. First shows larger yellow circles and smaller orange circles contained in a parabola shaped well drawn with a dotted orange line. Second panel contains same dotted orange line but the yellow and orange circles are attached together to represent molecules made of one yellow circle and one orange circle. Third panel shows molecule representations in a parabola shaped well made from both dotted orange and a grey lines. Panel 4 shows molecules in just a solid grey line parabola.

Representations of sodium (yellow) and lithium (orange) atoms (graphic I) and molecules (graphic II) confined in an optical trap (orange dotted line). The optical trap is slowly replaced by the magnetic trap (graphic III), and then experiments were performed in a completely magnetic trap (graphic IV).

Dr. Thomas Jennewein appointed to Canada Excellence Research Chair Program

Dr. Thomas Jennewein appointed to Canada Excellence Research Chair Program

Thursday, November 16, 2023

The Institute for Quantum Computing (IQC) and the Department of Physics and Astronomy in the Faculty of Science at the University of Waterloo would like to congratulate Dr. Thomas Jennewein on his appointment to the Canada Excellence Research Chair (CERC) Program, which he will hold at Simon Fraser University (SFU) in British Columbia.

The CERC program is awarded to world-renowned researchers at Canadian universities to support their ambitious research programs and provides funding of several millions over eight years to the researchers. This prestigious award ensures that Canada continues to be a destination for top research in the global landscape.

While Jennewein will hold his new CERC chair at SFU beginning in spring 2024, he will continue to maintain close ties with the IQC and UWaterloo Physics community. In particular, Jennewein is and remains the Science Team Lead for the Quantum EncrYption and Science Satellite (QEYSSat), Canada’s first quantum communication satellite. This activity will continue to be hosted at IQC and the Department of Physics and Astronomy where Jennewein retains his leadership role for this project.

We wish Jennewein great success as he continues his career and in helping elevate Canada as a destination for world-class quantum research and innovation.

This award was announced on November 16 by the Honourable Terry Beech, Minister of Citizens’ Services, on behalf of the Honourable François-Philippe Champagne, Minister of Innovation, Science and Industry.

Thomas Jennewein headshot

 

 

Nomination de Thomas Jennewein au Programme des chaires d’excellence en recherche du Canada

L’Institut d’informatique quantique (IQC) et le DĂ©partement de physique et d’astronomie de la FacultĂ© des sciences de l’UniversitĂ© de Waterloo tiennent Ă  fĂ©liciter Thomas Jennewein pour l’obtention d’une chaire d’excellence en recherche du Canada Ă  l’UniversitĂ© Simon-Fraser, en Colombie-Britannique.

Le Programme des chaires d’excellence en recherche du Canada finance, Ă  concurrence de plusieurs millions de dollars pendant huit ans, des chercheurs de calibre international afin qu’ils rĂ©alisent d’ambitieux programmes de recherche au sein des universitĂ©s canadiennes. Cette distinction prestigieuse consolide la rĂ©putation du pays comme destination de choix en matiĂšre de recherche.

Thomas Jennewein occupera sa nouvelle chaire Ă  l’UniversitĂ© Simon-Fraser au printemps 2024, tout en restant trĂšs proche de l’IQC et de la communautĂ© de physique de l’UniversitĂ© de Waterloo. Il demeurera en effet le responsable de l’équipe scientifique du Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat) – le premier satellite de communication quantique du Canada –, laquelle mĂšne ses activitĂ©s Ă  l’IQC et au DĂ©partement de physique et d’astronomie.

Nous souhaitons beaucoup de succĂšs Ă  Thomas Jennewein dans la suite de sa carriĂšre et dans ses efforts pour Ă©lever le rang du Canada comme destination en recherche et en innovation quantiques.

Sa nomination a Ă©tĂ© annoncĂ©e le 16 novembre par l’honorable Terry Beech, ministre des Services aux citoyens, au nom de l’honorable François-Philippe Champagne, ministre de l’Innovation, des Sciences et de l’Industrie.

Thomas Jennewein headshot

Quantum Innovators 2023 encourages collaborative atmosphere for global postdoctoral fellows

Quantum Innovators 2023 encourages collaborative atmosphere for global postdoctoral fellows

Monday, November 13, 2023

Last week, the Institute for Quantum Computing (IQC) welcomed over 20 promising postdoctoral fellows from around the world to Waterloo as part of the ninth annual Quantum Innovators workshop.

Split into two streams focused on theoretical and experimental research, speakers covered topics ranging from fault-tolerance and quantum cryptography to quantum defects in diamonds and atomic arrays, and many more topics spanning cutting edge quantum information research.

This year’s invited speakers came from leading research institutes across North America, as well as Europe and Asia to share their research with and inspire IQC’s faculty, postdoctoral fellows and graduate students.

“I am very happy to see all the new ideas and the direction that the quantum information field is taking,” says Dr. Norbert LĂŒtkenhaus, Executive Director of IQC. “As a top destination for quantum information and technology, IQC is proud to host this prestigious workshop and inspire the next leaders in quantum information and technology.”

Alexander Schuckert presenting at Quantum Innovators
Harriet Apel presenting at Quantum Innovators
James Bartusek presenting at Quantum Innovators

The week-long workshop included presentations from each of the invited postdoctoral fellow participants, two plenary lectures, a poster session and career panel, lab tours, and many opportunities to network with fellow participants and IQC researchers.

IQC researchers also joined in the workshop during the week, attending presentations, sharing their thoughts and questions, and showcasing the research happening at IQC.

“I had a wonderful time seeing all the things going on here at Waterloo,” says Dr. Conor Bradley, an invited speaker from the University of Chicago. “It’s also really exciting to see the different efforts brought towards industry and academic research going on. It’s been a lot of fun.”

Workshop attendees enjoyed the opportunity to connect with IQC faculty members, inspiring future research collaborations and partnerships.

Two Quantum Innovators participants talking

“It’s a really exciting group of people to spend a couple of days with,” says Dr. Susanna Todaro, an invited speaker from Oxford Ionics. “It’s an intellectually exciting couple of days to share ideas, spitball, and also share my own work. It’s been an honour to be invited.”

For several participants, Quantum Innovators is a way of coming full circle. Some speakers remembered visiting or studying at IQC previously and were happy to return. Additionally, a few IQC faculty members reminisced on previous years of the Quantum Innovators workshop when they presented as postdoctoral fellows.

“I’ve been to IQC before, so it’s been fun to see how things have progressed in the last couple of years,” says Dr. Josiah Sinclair, an invited speaker from Massachusetts Institute for Technology. “It was a great conference with fantastic talks, and the lab tours were a highlight. It’s great to see all the experimental efforts going on.”

The Quantum Innovator workshops are partly funded by the Canada First Research Excellence Fund (CFREF) as part of the Transformative Quantum Technologies research initiative.

Since 2012, Quantum Innovators has continued to invite bright postdoctoral fellows from around the world to IQC and continues to make an impact on the global quantum research community.

 

 

La conférence Quantum Innovators 2023, un moteur de collaboration pour les stagiaires postdoctoraux du monde entier

La semaine derniĂšre, l’Institut d’informatique quantique (IQC) a accueilli Ă  Waterloo plus de 20 stagiaires postdoctoraux prometteurs venus de partout pour participer Ă  la neuviĂšme Ă©dition de l’atelier Quantum Innovators.

Répartis entre les volets de la recherche théorique et de la recherche expérimentale, les conférenciers ont abordé une myriade de thÚmes de pointe en informatique quantique, comme la tolérance aux pannes, la cryptographie quantique, les défauts quantiques dans les diamants et les tableaux atomiques.

Des reprĂ©sentants invitĂ©s de grands instituts de recherche d’AmĂ©rique du Nord, d’Europe et d’Asie sont venus prĂ©senter leurs travaux inspirants au corps professoral, aux stagiaires postdoctoraux et aux Ă©tudiants de cycle supĂ©rieur de l’IQC.

« Je suis ravi de voir toutes les idĂ©es innovantes, et la direction que prend le domaine de l’informatique quantique, dĂ©clare Norbert LĂŒtkenhaus, directeur gĂ©nĂ©ral de l’IQC. En tant que destination de choix en informatique et en technologies quantiques, l’IQC est fier d’organiser cet atelier prestigieux pour inspirer les prochains leaders dans le domaine. »

Alexander Schuckert presenting at Quantum Innovators
Harriet Apel presenting at Quantum Innovators
James Bartusek presenting at Quantum Innovators

Au programme de la semaine, il y aura eu des prĂ©sentations de tous les stagiaires postdoctoraux invitĂ©s, deux confĂ©rences plĂ©niĂšres, une sĂ©ance de prĂ©sentation par affiches et une table ronde professionnelle, sans oublier des visites de laboratoires et de nombreuses occasions de rĂ©seauter pour les participants et pour les chercheurs de l’IQC.

En effet, Ă©taient aussi prĂ©sents des chercheurs de l’IQC qui ont assistĂ© aux prĂ©sentations, fait part de leurs rĂ©flexions et questions et mis en lumiĂšre les travaux de l’institut.

« J’ai passĂ© une excellente semaine Ă  dĂ©couvrir tout ce qui se passe Ă  Waterloo, se rĂ©jouit le Conor Bradley, confĂ©rencier invitĂ© venu de l’UniversitĂ© de Chicago. C’est aussi fascinant d’observer les diffĂ©rents efforts dĂ©ployĂ©s dans les secteurs privĂ© et universitaire. L’expĂ©rience a Ă©tĂ© fort agrĂ©able. »

Les participants Ă  l’atelier ont profitĂ© de l’occasion d’échanger avec le corps professoral de l’IQC pour susciter de futurs partenariats et collaborations de recherche.

Two Quantum Innovators participants talking

« C’était formidable de passer ces quelques jours avec ce groupe, souligne Susanna Todaro, confĂ©renciĂšre invitĂ©e venue d’Oxford Ionics. Cet Ă©vĂ©nement stimulant sur le plan intellectuel m’a permis d’échanger des idĂ©es, de faire du remue-mĂ©ninges et de prĂ©senter mes travaux. C’était un honneur d’ĂȘtre invitĂ©e. »

Pour certains, Quantum Innovators Ă©tait un retour aux sources. Des participants Ă©taient contents de revenir Ă  l’IQC aprĂšs y avoir Ă©tudiĂ© ou passĂ© du temps. Quelques membres du corps professoral se sont aussi remĂ©morĂ© les prĂ©sentations qu’ils avaient faites Ă  l’atelier pendant leur stage postdoctoral.

« Ce n’est pas ma premiĂšre fois Ă  l’IQC, donc je suis content d’avoir pu voir ce qui a changĂ© ces derniĂšres annĂ©es, tĂ©moigne Josiah Sinclair, confĂ©rencier invitĂ© venu du Massachusetts Institute for Technology. La confĂ©rence et les Ă©changes Ă©taient formidables et j’ai adorĂ© les visites de laboratoires. C’est fantastique de dĂ©couvrir tous les efforts expĂ©rimentaux qui sont menĂ©s. »

Les ateliers Quantum Innovator sont partiellement financĂ©s par le Fonds d’excellence en recherche ApogĂ©e Canada (fonds ApogĂ©e) dans le cadre de l’initiative de recherche Transformative Quantum Technologies.

Depuis 2012, Quantum Innovators invite de brillants stagiaires postdoctoraux du monde entier Ă  visiter l’IQC et fait sa marque annĂ©e aprĂšs annĂ©e sur la communautĂ© de recherche quantique internationale.

Quantum Q&A with Shayan Majidy

Quantum Q&A with Shayan Majidy

Friday, October 20, 2023

Shayan Majidy is a PhD candidate at Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. As a theoretical physicist in Dr. Raymond Laflamme’s group, Majidy’s research focuses on the dynamics of quantum information. Specifically, his research is centred on how non-classical properties of information are generated, harnessed, or lost, and the physical consequences that ensue. This entails studying the resources that confer quantum advantages, how universal properties affect quantum dynamics, and the thermodynamics of information processing.

Recently, Majidy was lead author of the perspective article Noncommuting conserved charges in quantum thermodynamics and beyond in Nature Review Physics, which surveys results across a subfield Majidy works in, including three of his recent papers, and discusses the future opportunities in this field of research. In this edition of ‘Quantum Q&A’, we’ve asked him to tell us more about this new article.

Shayan Majidy and his collaborators looking at a textbook

Shayan Majidy (third from left) with his collaborators.

Can you explain the topic you cover in this Perspectives article?

Measuring the temperature of your coffee shouldn't change the amount of coffee in your cup. Since measuring one does not affect the other, we say the coffee’s energy and volume commute. This intuitive assumption that conserved quantities, also known as charges, commute, underlies many physics derivations. However, charges’ failure to commute is important in quantum theory; it underlies the famous uncertainty principle. So, what happens changes when charges don't commute? In the perspective article, we survey the changes you find by allowing charges not to commute. 

 

What is something that excites you about this work?

You can take a thoroughly studied problem and introduce what seems like a minor change —have the charges not commute. Sometimes, this makes only minor differences, other times, it results in characteristically different phenomena. It's like opening a pack of hockey cards; part of the excitement is not knowing if you're going to get a rare card or not. The main difference from the hockey card analogy is that in research, you're not going in blind. You have reason to think a certain result will or won't happen.

 

Can you explain your latest research findings?

Forget what I just said about having reason to think something will happen. My recent work felt like finding a rare card unexpectedly.

Entanglement has a lot of applications. For example, it can be a resource for quantum technologies, and it explains how microscopic reversible dynamics can lead to macroscopic irreversible ones. Across physics disciplines, people are interested in understanding how entanglement grows, spreads, and fluctuates. Monitored quantum circuits are one toolbox for understanding these things. In general, they consist of random two-qubit gates which will entangle the qubits and mid-circuit projective measurements, which disentangle them. The gates and the measurements are in a tug-of-war.

You imagine you have a knob that tunes how often you do the measurements. If the measurements are "turned-down," the gates win and the system will evolve into a highly-entangled state called a volume-law state. You can then slowly turn-up the measurement knob. For a while, the gates will still win. Then suddenly you pass a special point, called the critical point. After that point, the measurements win and the system will evolve into a much-less-entangled state called an "area-law state." The critical point has some really interesting properties which I talk about it in more detail in a recent invited seminar with IBM.

Usually, you have a volume-law phase, a critical point, and an area-law phase. However, introducing noncommuting charges kills the area-law phase. So, you turn up the knob, you get to the critical point, you keep turning-up the knob, and it still looks like you're at the critical point. We call this a critical phase. Critical phases are interesting because they're rare in nature, kind of like a first-edition Connor McDavid hockey card. We're still trying to understand this critical phase and why it emerges.

 

What are the real-world implications of noncommuting charges?

First, part of the fun of this topic is that we still don't fully understand all the theoretical implications of noncommuting charges. With that said, there are some intriguing prospects. One is that charges' noncommutation seems to resist thermalization in some ways while prompting it in others. If noncommuting charges resist thermalization (i.e., resist the arrow of time) then maybe we can use them for creating longer-lasting quantum memories or batteries.

 

 

Parlons quantique avec Shayan Majidy

Candidat au doctorat Ă  l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Waterloo, Shayan Majidy travaille comme physicien thĂ©oricien dans le groupe du Pr Raymond Laflamme. Ses travaux portent sur les dynamiques de l’information quantique, et plus particuliĂšrement sur les façons dont les propriĂ©tĂ©s non classiques de l’information sont produites, utilisĂ©es ou perdues ainsi que sur les consĂ©quences physiques qui en dĂ©coulent. Pour ce faire, il Ă©tudie les ressources qui offrent des avantages quantiques, les effets des propriĂ©tĂ©s universelles sur les dynamiques quantiques, et la thermodynamique du traitement de l’information.

Dans un article rĂ©cent de Nature Review Physics dont il est l’auteur principal, « Noncommuting conserved charges in quantum thermodynamics and beyond », Shayan Majidy examine les rĂ©sultats dans l’un de ses sous-domaines de prĂ©dilection – y compris trois de ses Ă©tudes de fraĂźche date – et discute de l’avenir de ce champ de recherche. Dans ce numĂ©ro de Parlons quantique, il nous entretient plus longuement de cet article.

Shayan Majidy and his collaborators looking at a textbook

Shayan Majidy (troisiĂšme Ă  gauche) avec ses collaborateurs.

Pouvez-vous expliquer le sujet de votre article?

Le fait de mesurer la tempĂ©rature d’un cafĂ© ne devrait pas rĂ©duire la quantitĂ© de liquide dans la tasse. Puisque ces deux propriĂ©tĂ©s sont indĂ©pendantes, on dira que l’énergie et le volume du cafĂ© commutent. Cette comprĂ©hension intuitive que les quantitĂ©s conservĂ©es – les charges – sont commutatrices sous-tend une multitude de dĂ©rivations de la physique. Or, l’incapacitĂ© des charges Ă  commuter est un point important de la thĂ©orie quantique; c’est l’assise du cĂ©lĂšbre principe d’incertitude. Mais qu’arrive-t-il lorsque les charges ne commutent pas? Notre article dans Perspective examine les changements qui surviennent lorsqu’on permet aux charges de ne pas commuter.

 

Qu’est-ce qui vous passionne de ce sujet?

Quand on prend un problĂšme qui a dĂ©jĂ  Ă©tĂ© Ă©tudiĂ© de A Ă  Z et qu’on modifie un paramĂštre en apparence mineur – comme la commutation des charges –, des fois, ça ne change presque rien, mais d’autres fois, on observe des phĂ©nomĂšnes complĂštement diffĂ©rents. C’est comme ouvrir un paquet de cartes de hockey, la fĂ©brilitĂ© de dĂ©couvrir si on aura ou non une carte rare
 Sauf qu’en recherche, on ne procĂšde pas Ă  l’aveugle; on fait un changement parce qu’on pense qu’il va se produire (ou ne pas se produire) quelque chose de prĂ©cis.

 

Pouvez-vous expliquer vos découvertes récentes?

Oubliez ce que je viens de dire sur le fait de ne pas procĂ©der Ă  l’aveugle : mes travaux rĂ©cents reviennent pas mal Ă  avoir trouvĂ© une carte rare sans m’y attendre!

L’intrication a une foule d’applications. Par exemple, elle peut servir de ressource pour les technologies quantiques, et elle illustre comment les dynamiques microscopiques rĂ©versibles peuvent se transformer en dynamiques macroscopiques irrĂ©versibles. Dans toutes les disciplines de la physique, on s’intĂ©resse aux façons dont l’intrication s’installe, se rĂ©pand et fluctue. Les circuits quantiques surveillĂ©s sont l’un de nos outils pour comprendre tout cela. En gĂ©nĂ©ral, ils se composent de portes alĂ©atoires Ă  deux qubits, qui crĂ©ent des intrications entre les qubits, et de mesures projectives de milieu de circuit, qui dĂ©font ces intrications. Portes et mesures sont engagĂ©es dans un bras de fer constant.

Imaginez un bouton de rĂ©glage qui dĂ©termine la frĂ©quence des mesures. S’il est au plus bas, les portes prennent le dessus et le systĂšme atteint un niveau d’intrication Ă©levĂ©, dit en loi de volume. Si l’on tourne lentement le bouton, les portes gardent le dessus pendant un certain temps, mais aprĂšs un point particulier, appelĂ© point critique, les mesures commencent Ă  l’emporter, et le systĂšme perd beaucoup de son intrication jusqu’à atteindre un Ă©tat dit en loi d’aire. Ce point critique a des propriĂ©tĂ©s vraiment intĂ©ressantes que j’ai couvertes plus en dĂ©tail dans un sĂ©minaire rĂ©cent pour IBM.

Normalement, on a une phase en loi de volume, un point critique et une phase en loi d’aire. Toutefois, avec des charges non commutatrices, la phase en loi d’aire disparaĂźt : on continue de tourner le bouton, mais le systĂšme semble figĂ© au point critique. C’est ce qu’on appelle la phase critique. C’est intĂ©ressant parce que les phases critiques sont rares, un peu comme une premiĂšre Ă©dition de la carte de Connor McDavid au hockey. Nous travaillons encore Ă  essayer de comprendre cette phase et ce qui la provoque.

 

Quels sont les effets concrets des charges non commutatrices?

Une partie du plaisir Ă  Ă©tudier le sujet rĂ©side dans le fait que l’on comprend encore imparfaitement les implications thĂ©oriques des charges non commutatrices. Et il existe des possibilitĂ©s intrigantes; par exemple, la non-commutation agit parfois comme une protection anti-thermalisation, et parfois comme un stimulant de cette mĂȘme thermalisation. Si les charges non commutatrices rĂ©sistent Ă  la thermalisation (et donc Ă  la flĂšche du temps), elles pourraient potentiellement servir Ă  crĂ©er des mĂ©moires ou des batteries quantiques plus durables.

IQC Faculty Elected as American Physical Society Fellowship for Science and Quantum Innovation

IQC Faculty Elected as American Physical Society Fellowship for Science and Quantum Innovation

Thursday, October 19, 2023

Two faculty members at the Institute for Quantum Computing (IQC) have received prestigious recognition by their peers for the outstanding contributions they have made to physics. Dr. Dmitry Pushin and Dr. Graeme Smith are newly elected as 2023 Fellows of the American Physical Society.

Dmitry Pushin

Pushin, also a professor in the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo, is being recognized for innovations in neutron scattering and interferometry informed by quantum information science and the physics of structured waves.

"I am proud that our work was recognized in the scientific community, and I am always grateful for support from NIST and Transformative Quantum Technologies (TQT),” says Pushin.

Graeme Smith

Smith, also a professor in Waterloo’s Department of Applied Mathematics, is being recognized for fundamental contributions on quantum channel capacities including proving continuity, elucidating the phenomenon of superactivation, and for providing a classification of all the additive entropic formulas.

“I'm grateful for this recognition from my peers, and I'm particularly happy to see the citation highlights my work on quantum channel capacities. Seeking new ways to think about and analyze these capacities has exposed many fascinating aspects of quantum theory and we have plenty more to learn,” says Smith. 

Dr. Anton Burkov, a Waterloo professor in the Department of Physics and Astronomy, was also recognized for significant contributions to establishing Weyl semimetals and Weyl metals as gapless topological phases, and for elucidating their topological response in magneto-transport and magneto-optics.

Pushin was recommended for this honor by the American Physical Society Topical Group on Precision Measurement & Fundamental Constants (GPMFC), Smith was nominated by Division of Quantum Information (DQI) and Burkov was nominated by Division of Condensed Matter Physics (DCMP) at the September council meeting. The number of recommended nominees in each year may not exceed one-half percent of the then current membership of the Society, excluding student members.

 

Des professeurs de l’IQC, reconnus par l’American Physical Society pour leur excellence en science et en innovation quantique

C’est une prestigieuse reconnaissance de leurs pairs que deux membres du corps professoral de l’Institut d’informatique quantique (IQC) ont reçue pour leur contribution hors du commun au domaine de la physique : Dmitry Pushin et Graeme Smith sont nommĂ©s membres 2023 de l’American Physical Society.

Dmitry Pushin

Dmitry Pushin, aussi professeur au DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Waterloo, se voit ainsi honorĂ© pour ses innovations dans la diffusion neutronique et l’interfĂ©romĂ©trie guidĂ©es par la science de l’information quantique et la physique des ondes structurĂ©es.

« Je suis fier que notre travail ait Ă©tĂ© reconnu par la communautĂ© scientifique, et je remercie le NIST et l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT) pour leur soutien », dĂ©clare-t-il.

Graeme Smith

Graeme Smith, aussi professeur au DĂ©partement de mathĂ©matiques appliquĂ©es de l’UniversitĂ© de Waterloo, se voit lui reconnu pour ses travaux essentiels sur les capacitĂ©s des canaux quantiques, notamment sa preuve de la continuitĂ©, son Ă©claircissement du phĂ©nomĂšne de la superactivation et sa classification de l’ensemble des formules entropiques additives.

« Je suis touchĂ© de cette reconnaissance par les pairs. Je suis particuliĂšrement content que la citation souligne mon travail sur les capacitĂ©s des canaux quantiques. La recherche de nouvelles façons d’imaginer et d’analyser ces capacitĂ©s a dĂ©jĂ  exposĂ© tant d’aspects fascinants de la thĂ©orie quantique, et nous en avons encore beaucoup Ă  apprendre. »

Anton Burkov, professeur au DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Waterloo, a Ă©galement Ă©tĂ© honorĂ© pour deux contributions majeures : la dĂ©termination que les mĂ©taux et semimĂ©taux de Weyl constituent des phases topologiques sans trou (« non-gappĂ©es »), et l’élucidation de leur rĂ©ponse topologique au transport et Ă  l’optique magnĂ©tiques.

Les candidatures de Dmitry Pushin, Graeme Smith et Anton Burkov ont Ă©tĂ© recommandĂ©es lors de la rĂ©union de septembre du conseil de l’American Physical Society, respectivement par le groupe thĂ©matique sur les mesures de prĂ©cision et les constantes fondamentales (GPMFC), par la division de l’information quantique (DQI) et par la division de la physique de la matiĂšre condensĂ©e (DCMP). Le nombre de candidatures recommandĂ©es chaque annĂ©e ne peut dĂ©passer 0,5 % du total de membres actifs (excluant les membres Ă©tudiants).

Waterloo researchers make a significant step towards reliably processing quantum information

Waterloo researchers make a significant step towards reliably processing quantum information

Monday, September 11, 2023

New optical system designed to target and control individual atoms

Using laser light, researchers have developed the most robust method currently known to control individual qubits made of the chemical element barium. The ability to reliably control a qubit is an important achievement for realizing future functional quantum computers.

This new method, developed at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing (IQC), uses a small glass waveguide to separate laser beams and focus them four microns apart, about four-hundredths of the width of a single human hair. The precision and extent to which each focused laser beam on its target qubit can be controlled in parallel is unmatched by previous research.

A laser table illuminated with green laser light

Green laser light is the correct energy to manipulate the energy states of barium ions.

“Our design limits the amount of crosstalk–the amount of light falling on neighbouring ions–to the very small relative intensity of 0.01 per cent, which is among the best in the quantum community,” said Dr. K. Rajibul Islam, a professor at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “Unlike previous methods to create agile controls over individual ions, the fibre-based modulators do not affect each other.

“This means we can talk to any ion without affecting its neighbours while also retaining the capability to control each individual ion to the maximum possible extent. This is the most flexible ion qubit control system with this high precision that we know of anywhere, in both academia and industry.”

The researchers targeted barium ions, which are becoming increasingly popular in the field of trapped ion quantum computation. Barium ions have convenient energy states that can be used as the zero and one levels of a qubit and be manipulated with visible green light, unlike the higher energy ultraviolet light needed for other atom types for the same manipulation. This allows the researchers to use commercially available optical technologies that are not available for ultraviolet wavelengths.

The researchers created a waveguide chip that divides a single laser beam into 16 different channels of light. Each channel is then directed into individual optical fibre-based modulators which independently provide agile control over each laser beam’s intensity, frequency, and phase. The laser beams are then focused down to their small spacing using a series of optical lenses similar to a telescope. The researchers confirmed each laser beam’s focus and control by measuring them with precise camera sensors.

“This work is part of our effort at the University of Waterloo to build barium ion quantum processors using atomic systems,” said Dr. Crystal Senko, Islam’s co-principal investigator and a faculty member at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “We use ions because they are identical, nature-made qubits, so we don’t need to fabricate them. Our task is to find ways to control them.”

The new waveguide method demonstrates a simple and precise method of control, showing promise for manipulating ions to encode and process quantum data and for implementation in quantum simulation and computing.

The paper, A guided light system for agile individual addressing of Ba+ qubits with 10−4 level intensity crosstalk, was published by Ali Binai-Motlagh, Dr. Matt Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Senko and Islam in Quantum Science and Technology.

The glass waveguide chip directing green laser light through it

Des chercheurs de Waterloo franchissent une Ă©tape importante vers un traitement fiable de l’information quantique

Nouveau systÚme optique conçu pour cibler et contrÎler des atomes uniques

Des chercheurs ont conçu la mĂ©thode la plus fiable Ă  ce jour pour contrĂŽler les qubits uniques de baryum grĂące Ă  la lumiĂšre laser. La capacitĂ© Ă  contrĂŽler efficacement un qubit est une percĂ©e majeure pour la construction d’ordinateurs quantiques fonctionnels.

Cette nouvelle mĂ©thode, mise au point Ă  l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’UniversitĂ© de Waterloo, use d’un petit guide d’ondes en verre pour sĂ©parer les faisceaux laser et les espacer de quatre micromĂštres, soit environ quatre centiĂšmes de l’épaisseur d’un cheveu humain. Jusqu’à prĂ©sent, la recherche n’était jamais arrivĂ©e Ă  une telle prĂ©cision et Ă  un tel degrĂ© de contrĂŽle en parallĂšle des faisceaux laser sur leurs qubits cibles.

La manipulation des niveaux d’énergie des ions de baryum requiert une lumiĂšre laser verte.

La manipulation des niveaux d’énergie des ions de baryum requiert une lumiĂšre laser verte.

« Notre modĂšle limite la quantitĂ© de diaphonie – la lumiĂšre rĂ©percutĂ©e sur les ions environnants – Ă  une intensitĂ© relative trĂšs basse de 0,01 %, l’un des meilleurs chiffres de la communautĂ© de la quantique, explique K. Rajibul Islam, professeur Ă  l’IQC et au DĂ©partement de physique et d’astronomie de Waterloo. Contrairement aux mĂ©thodes prĂ©cĂ©dentes pour contrĂŽler aisĂ©ment les ions uniques, celle-ci empĂȘche les modulateurs Ă  fibre optique d’interfĂ©rer entre eux. »

« Nous pouvons ainsi interagir avec n’importe quel ion sans affecter ceux autour, tout en gardant un maximum de contrĂŽle sur chacun. À notre connaissance, aucun systĂšme de contrĂŽle des qubits Ă  ions utilisĂ© dans les secteurs universitaire et privĂ© n’est Ă  la fois aussi prĂ©cis et aussi souple que celui-lĂ . »

Les chercheurs se sont penchĂ©s sur les ions de baryum, qui gagnent en popularitĂ© dans le domaine de l’informatique quantique des ions piĂ©gĂ©s. Les ions de baryum ont des niveaux d’énergie simples qui peuvent ĂȘtre utilisĂ©s comme niveaux 0 et 1 d’un qubit et manipulĂ©s par de la lumiĂšre verte visible, contrairement Ă  d’autres types d’atomes dont la manipulation nĂ©cessite un rayonnement ultraviolet Ă  Ă©nergie plus Ă©levĂ©. Les chercheurs peuvent ainsi tirer parti de technologies optiques disponibles sur le marchĂ©, chose impossible lorsqu’on travaille avec des longueurs d’onde ultraviolettes.

L’équipe de recherche a crĂ©Ă© une puce de guide d’ondes qui divise un faisceau laser en 16 pinceaux lumineux diffĂ©rents. Chaque pinceau lumineux est ensuite dirigĂ© vers un modulateur Ă  fibre optique, qui offre un bon contrĂŽle de l’intensitĂ©, de la frĂ©quence et de la phase de chaque faisceau laser. Ces derniers sont ensuite concentrĂ©s Ă  petite distance les uns des autres grĂące Ă  un ensemble de lentilles optiques semblables Ă  un tĂ©lescope. Les chercheurs ont vĂ©rifiĂ© la concentration et le contrĂŽle de chaque faisceau laser en les mesurant avec des capteurs photographiques prĂ©cis.

« Ce projet s’inscrit dans les efforts de l’UniversitĂ© de Waterloo pour bĂątir des processeurs quantiques d’ions de baryum avec des systĂšmes atomiques », affirme Crystal Senko, cochercheuse principale avec K. Rajibul Islam et membre du corps professoral de l’IQC et du DĂ©partement de physique et d’astronomie de Waterloo. « Nous utilisons les ions parce qu’ils sont des qubits identiques naturels; nous n’avons pas besoin de les fabriquer. Notre dĂ©fi, c’est de trouver des maniĂšres de les contrĂŽler. »

Cette nouvelle mĂ©thode de contrĂŽle par guide d’ondes est simple et prĂ©cise, donc prometteuse pour la manipulation d’ions dans une optique d’encodage et de traitement des donnĂ©es quantiques et pour la concrĂ©tisation de la simulation et de l’informatique quantiques.

L’article « A guided light system for agile individual addressing of Ba+ qubits with 10−4 level intensity crosstalk » a Ă©tĂ© publiĂ© par Ali Binai-Motlagh, Matthew L. Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Crystal Senko et K. Rajibul Islam dans la revue Quantum Science and Technology.

The glass waveguide chip directing green laser light through it

Researchers propose technique to detect microwave photons using point defects in diamond

8 September 2023 at 14:29

Researchers propose technique to detect microwave photons using point defects in diamond

Thursday, August 31, 2023

Many experiments in quantum information processing rely on our ability to transmit, manipulate, or detect photons. In these applications, the wavelength of photons being detected can range from the infrared and visible light used in optical communication systems, to the microwave photons that superconducting quantum devices respond to. While a wide range of detectors are available for optical photons, detecting microwave photons is significantly more challenging due to the much lower energies of individual photons compared to the level of noise, including background light, in the world around us. 

The development of efficient microwave photon detectors will be useful for a wide variety of applications, including superconducting quantum devices, quantum computing, quantum sensing, and particle physics. Working toward the realization of these applications, researchers from the Institute for Quantum Computing (IQC) at the University of Waterloo are investigating a new technique for detecting single microwave photons using diamonds. 

Abdolreza Pasharavesh

Abdolreza Pasharavesh with the experimental setup the group is now developing to test their theories.

Olivia Woodman and Abdolreza Pasharavesh, graduate students at IQC, together with Dr. Michal Bajcsy and Dr. Christopher Wilson, faculty members at IQC and Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering, have developed a promising model to detect these photons by making use of the light-sensitive properties of a point defect found in the lattice structure of diamond. In its perfect form, diamond consists of only carbon atoms, however a defect called a nitrogen-vacancy (NV) center can occur if a nitrogen atom takes the place of a carbon atom within the diamond crystal’s structure while the neighboring site is left empty. NV centers, which can make a diamond appear pink in colour, are known for their unique interactions with both microwave photons and optical photons, making them attractive for various applications in quantum technology such as communications, sensing, and fundamental research.  

For their proposal, the researchers envision a device in which microwave photons interacting with the defects in diamond change the properties of an optical resonator (cavity). “First we need to confine the photons in electromagnetic cavities,” says Pasharavesh. “Because the level of light given off by a single photon is so low, we use the cavities as a mechanism to enhance the interaction between the photons and our quantum emitter.” The NV center is coupled to an optical cavity and a coplanar waveguide (CPW), a structure that consists of a conductive material, like a strip of metal, on a ground plane that acts as a barrier on the sides and underneath. CPWs efficiently guide and transmit microwave signals along a specific path without them spreading out and dissipating.

In the group’s detector designs, the diamond sits at the intersection of the CPW, which brings the microwave photons into the device, and the optical cavity which is probed by laser and monitored by an optical single photon detector. In their simulations, microwave photons hit the diamond’s NV centers, interact with it, and change its electronic spin. Changes to the NV center’s spin also change the optical cavity’s resonance frequency, which provides the researchers with a way to measure the presence of microwave photons on the CPW by using visible photons. 

Based on their simulations using the master equations for the NV center and fields in the cavities, the group determined that their design could achieve a microwave photon detection efficiency of about 90 percent, and a fidelity, or percentage of correctly recorded detections, of over 90 percent. The dynamics of the system were investigated using Monte Carlo techniques, which averages many simulated trajectories of a complex system to predict its real-world behaviour.  

The relative simplicity, practicality, and effectiveness of this new design is promising for the development of microwave photon detection technology. Additionally, proposing the use of a solid material like diamond could mean that these detector designs would be more easily integrated into solid-state electronic systems, which have a higher scalability compared to other quantum information platforms. 

Illustration of the proposed microwave photon detector device depicting the placement of a diamond NV center inside an optical cavity on a coplanar waveguide (CPW).

Illustration of the proposed device depicting the placement of a diamond NV center inside an optical cavity on a coplanar waveguide (CPW).

This research is part of an ongoing collaboration that aims to convert microwave photons into optical photons, and is supported by the Transformative Quantum Technologies program. “Inside a quantum computer, working with superconducting circuits and microwave photons is great, but when you want to send that information to a second computer, you need to convert it to optical photons because they have lower loss when transmitted in fiberoptic cables,” says Pasharavesh. “Moving forward, we will be concentrating on coherent interactions in order to convert microwave qubits into optical qubits.” 

The group is now preparing for the next step of their research by turning their theoretical system into experimental reality to test their new theories. This research, Detecting Single Microwave Photons with NV Centers in Diamond, was published in the journal Materials on April 21st, 2023. 

 

 

Des chercheurs proposent une technique pour dĂ©tecter les photons micro-ondes Ă  l’aide de dĂ©fauts ponctuels dans le diamant

Beaucoup d’expĂ©riences en traitement de l’information quantique reposent sur notre capacitĂ© Ă  transmettre, Ă  manipuler ou Ă  dĂ©tecter les photons. Dans ces applications, la longueur d’onde des photons dĂ©tectĂ©s peut aller de l’infrarouge et de la lumiĂšre visible utilisĂ©e dans les systĂšmes de communication optique aux photons micro-ondes que l’on trouve dans les dispositifs quantiques supraconducteurs. Bien qu’il existe un vaste Ă©ventail de dĂ©tecteurs de photons optiques, la dĂ©tection de photons micro-ondes est une autre paire de manches. C’est que le peu d’énergie des photons uniques par rapport au niveau de bruit dans le monde qui nous entoure, y compris dans la lumiĂšre d’arriĂšre-plan, complique les choses. 

Un dĂ©tecteur de photons micro-ondes efficace aurait un grand champ d’application : dispositifs quantiques supraconducteurs, informatique quantique, dĂ©tection quantique, physique des particules, etc. C’est avec cette idĂ©e en tĂȘte que des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’UniversitĂ© de Waterloo se sont penchĂ©s sur une nouvelle technique pour dĂ©tecter les photons uniques micro-ondes Ă  l’aide de diamants. 

Abdolreza Pasharavesh avec le montage expérimental élaboré par le groupe pour tester ses théories.

Abdolreza Pasharavesh avec le montage expérimental élaboré par le groupe pour tester ses théories.

En collaboration avec Michal Bajcsy, Ph. D. et Christopher Wilson, Ph. D., membres du corps professoral de l’IQC et du DĂ©partement de gĂ©nie Ă©lectrique et informatique de l’UniversitĂ© de Waterloo, Olivia Woodman et Abdolreza Pasharavesh, Ă©tudiants aux cycles supĂ©rieurs Ă  l’IQC, ont mis au point un modĂšle prometteur capable de dĂ©tecter ces photons en exploitant la sensibilitĂ© Ă  la lumiĂšre d’un dĂ©faut dans la structure cristalline du diamant. Un diamant parfait se compose uniquement d’atomes de carbone. Toutefois, certains diamants prĂ©sentent un centre azote-lacune, soit un vide laissĂ© par la substitution d’un atome de carbone par un atome d’azote. Ces dĂ©fauts, qui peuvent donner au diamant une teinte rose, sont reconnus pour leurs interactions uniques avec les photons micro-ondes et les photons optiques, lesquelles en font un Ă©lĂ©ment recherchĂ© pour diverses applications en technologie quantique, comme les communications, la dĂ©tection et la recherche fondamentale.  

Pour sa proposition, l’équipe de recherche a imaginĂ© un dispositif oĂč les interactions entre les photons micro-ondes et les dĂ©fauts du diamant modifient les propriĂ©tĂ©s d’un rĂ©sonateur optique (cavitĂ©). « La premiĂšre Ă©tape consiste Ă  confiner les photons dans des cavitĂ©s Ă©lectromagnĂ©tiques, explique Abdolreza Pasharavesh. Comme la lumiĂšre Ă©mise par un photon unique est trĂšs faible, nous utilisons les cavitĂ©s comme mĂ©canisme pour augmenter l’interaction entre les photons et notre Ă©metteur quantique. » Le centre azote-lacune est rattachĂ© Ă  une cavitĂ© optique et Ă  un guide d’ondes coplanaire, une structure constituĂ©e d’un matĂ©riau conducteur, comme une bande de mĂ©tal, dĂ©posĂ© sur une surface plane qui agit comme une barriĂšre sur les parois et le dessous. Les guides d’ondes coplanaires dirigent et transmettent les signaux micro-ondes le long d’un chemin dĂ©fini, en les empĂȘchant de se disperser. 

Dans le dĂ©tecteur conçu par le groupe, le diamant se trouve Ă  l’intersection du guide d’ondes coplanaires, ce qui permet d’attirer les photons micro-ondes dans le dispositif et dans la cavitĂ© optique, qui est sondĂ©e par laser et surveillĂ©e par un dĂ©tecteur de photons uniques optiques. Dans les simulations du groupe, les photons micro-ondes frappent le centre azote-lacune du diamant, interagissent avec lui et modifient son spin Ă©lectronique. Les modifications apportĂ©es au spin du centre azote-lacune ont un effet sur la frĂ©quence de rĂ©sonance de la cavitĂ© optique. Les chercheurs peuvent ainsi mesurer la prĂ©sence de photons micro-ondes sur le guide d’ondes coplanaire en utilisant des photons visibles. 

Par des simulations reposant sur des Ă©quations maĂźtresses faisant intervenir le centre azote-lacune et les champs dans les cavitĂ©s, le groupe a dĂ©terminĂ© que son dĂ©tecteur pouvait atteindre une efficacitĂ© de dĂ©tection d’environ 90 % et une fidĂ©litĂ© (pourcentage de dĂ©tections exactes) supĂ©rieure Ă  90 %. Les dynamiques du systĂšme ont Ă©tĂ© Ă©tudiĂ©es Ă  l’aide de mĂ©thodes de Monte-Carlo, qui prĂ©disent le comportement en contexte rĂ©el d’un systĂšme complexe selon la moyenne de nombreuses trajectoires simulĂ©es. 

La relative simplicitĂ©, l’aspect pratique et l’efficacitĂ© de ce nouveau dĂ©tecteur sont prometteurs pour le dĂ©veloppement de technologies de dĂ©tection des photons micro-ondes. De plus, l’utilisation proposĂ©e d’une matiĂšre solide comme le diamant pourrait faciliter l’intĂ©gration de ce type de dĂ©tecteur dans des systĂšmes Ă©lectroniques transistorisĂ©s, qui sont plus adaptables que d’autres plateformes d’information quantique. 

Illustration du dispositif proposĂ©; on y voit le centre azote-lacune d’un diamant Ă  l’intĂ©rieur de la cavitĂ© optique d’un guide d’ondes coplanaire.

Illustration du dispositif proposĂ©; on y voit le centre azote-lacune d’un diamant Ă  l’intĂ©rieur de la cavitĂ© optique d’un guide d’ondes coplanaire.

Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration en cours visant Ă  convertir les photons micro-ondes en photons optiques et sont soutenus par le programme Transformative Quantum Technologies. « À l’intĂ©rieur d’un ordinateur quantique, les circuits supraconducteurs et les photons micro-ondes fonctionnent bien, mais lorsque vient le temps de transmettre l’information Ă  un autre ordinateur, il faut convertir ces photons en photons optiques pour limiter les pertes dans la transmission par cĂąbles Ă  fibre optique, prĂ©cise Abdolreza Pasharavesh. Pour la suite, il faudra se concentrer sur les interactions cohĂ©rentes afin de convertir les qubits micro-ondes en qubits optiques. » 

Le groupe se prĂ©pare maintenant Ă  la prochaine Ă©tape de sa recherche, soit le passage de la thĂ©orie Ă  la rĂ©alitĂ© expĂ©rimentale pour mettre en pratique ses nouvelles hypothĂšses. L’étude en question, « Detecting Single Microwave Photons with NV Centers in Diamond » a Ă©tĂ© publiĂ©e dans la revue Materials le 21 avril 2023. 

IQC Researchers receive funding in support of cutting-edge quantum projects

8 September 2023 at 14:29

IQC Researchers receive funding in support of cutting-edge quantum projects

Wednesday, August 30, 2023

Six researchers from the Institute for Quantum Computing (IQC) have been awarded funding this week through the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) for their projects in quantum information science and technology.  

“Congratulations to these talented recipients from all across the country who are doing the groundbreaking work that will contribute not only to Canada’s health and well-being but also to the world’s. Through this funding, the Government of Canada is investing in the next generation of researchers and inspiring them to continue to think outside the box and tackle the challenges of today and tomorrow.” 

               – The Honourable François-Philippe Champagne, Minister of Innovation, Science and Industry 

This funding from NSERC will allow IQC’s faculty members to continue their research programs, providing a stable source of funding for the next five years. The discovery grants allow our researchers to focus on long-term research goals, as well as train graduate students and support postdoctoral fellows. In total, IQC researchers received $450,000 in funding this year from the NSERC Discovery Grants Program and the Research Tools and Instruments grants program. 

Raffi Budakian

Raffi Budakian

Project: Atomic-scale nanoMRI studies of the structure and dynamics of solid-state spin systems 

Thomas Jennewein

Thomas Jennewein

Project: Quantum Optical Ground-Station for QEYSSAT.

Norbert LĂŒtkenhaus

Norbert Lutkenhaus

Project: Robust Quantum Key Distribution 

Ashwin Nayak

Ashwin Nayak

Project: Efficient Quantum Algorithms and Protocols 

Michael Reimer

Michael Reimer

Project: Hybrid quantum repeater - Interfacing quantum dot entangled photons with cold atoms 

Kevin Resch

Kevin Resch

Project: Experimental optical quantum technologies for ultrafast entanglement, photonic simulation, and quantum causality 

The Discovery Grants program is designed to inspire researchers and help them acquire modern tools for their work. This funding aims to aid in the destruction of barriers to ensure an inclusive research community that is truly reflective of Canada’s diversity. It will also help Canada attract and retain some of the world’s best minds and foster international and domestic partnerships that will cement the country’s position as a world leader in research excellence and innovation. 

Read more about this announcement from NSERC: Discovery Research Program results announced. 

 

 

Un soutien financier pour les projets à la fine pointe de la quantique des chercheurs de l’IQC

Le Conseil de recherches en sciences naturelles et en gĂ©nie du Canada (CRSNG) a annoncĂ© cette semaine le financement de six projets de sciences et technologies quantiques menĂ©s par des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC). 

« FĂ©licitations Ă  ces talentueux rĂ©cipiendaires de partout au pays pour leurs travaux rĂ©volutionnaires qui contribueront Ă  la santĂ© et au bien-ĂȘtre de tous, au Canada comme Ă  l’étranger. Cette initiative de financement est une façon pour le gouvernement fĂ©dĂ©ral d’investir dans la prochaine gĂ©nĂ©ration de chercheurs et de les encourager Ă  continuer de sortir des sentiers battus pour relever les dĂ©fis d’aujourd’hui et de demain. » 

– L’honorable François-Philippe Champagne, ministre de l’Innovation, des Sciences et de l’Industrie 

Offrant un appui stable sur cinq ans, le financement du CRSNG assurera la pĂ©rennitĂ© de programmes de recherche du corps professoral de l’IQC. Les subventions Ă  la dĂ©couverte permettent aux chercheurs de poursuivre des objectifs Ă  long terme ainsi que de former les Ă©tudiants aux cycles supĂ©rieurs et d’encadrer les stagiaires postdoctoraux. Au total, le CRSNG verse cette annĂ©e 450 000 $ aux chercheurs de l’IQC par l’intermĂ©diaire du Programme de subventions Ă  la dĂ©couverte et du Programme de subventions d’outils et d’instruments de recherche. 

Raffi Budakian

Raffi Budakian

Projet: Travaux sur la structure et les dynamiques des systĂšmes de spin Ă  l’état solide au moyen de la nano-imagerie par rĂ©sonance magnĂ©tique (nano-IRM)

Thomas Jennewein

Thomas Jennewein

Projet: AmĂ©nagement de la station terrestre d’optique quantique pour le QEYSSat 

Norbert LĂŒtkenhaus

Norbert Lutkenhaus

Projet: Distribution quantique de clés à toute épreuve 

Ashwin Nayak

Ashwin Nayak

Projet: Algorithmes et protocoles quantiques performants 

Michael Reimer

Michael Reimer

Projet: RĂ©pĂ©teur quantique hybride – Interaction des photons intriquĂ©s aux points quantiques avec des atomes froids 

Kevin Resch

Kevin Resch

Projet: Technologies quantiques optiques expĂ©rimentales pour l’intrication ultrarapide, la simulation photonique et la causalitĂ© quantique 

Le Programme de subventions Ă  la dĂ©couverte vise Ă  inspirer les chercheurs et Ă  leur assurer des outils modernes. Il sert Ă  abattre les obstacles pour crĂ©er un milieu de la recherche inclusif et pleinement reprĂ©sentatif de la diversitĂ© au Canada. Enfin, il aide le pays Ă  attirer et Ă  garder en poste certains des plus grands cerveaux du monde ainsi qu’à cultiver des partenariats nationaux et internationaux qui consolident son statut de chef de file mondial en excellence de la recherche et en innovation. 

Annonce officielle du CRSNG : Les rĂ©sultats du programme de recherche axĂ©e sur la dĂ©couverte annoncĂ©s 

IQC’s Quantum School for Young Students reaches milestone 1000 students

8 September 2023 at 14:29

IQC’s Quantum School for Young Students reaches milestone 1000 students

Monday, August 21, 2023
Quantum School for Young Students group photo

Over the past two weeks, the Institute for Quantum Computing (IQC) hosted the 16th annual Quantum School for Young Students (QSYS) session, welcoming high school students from around the world into our buildings, our labs, and our community. 

QSYS is a unique enrichment program that introduces high school students to the world of quantum information science and technology. Over the course of nine days, students visit IQC and learn how this interdisciplinary field combines computer science, engineering, mathematics, physics, and chemistry to push the boundaries of modern science. Through expert lectures, problem-solving sessions, and hands-on experiments, QSYS students explore the curiosities of our world at the quantum level.

20+ of IQC’s quantum experts participated in QSYS 2023
31 lectures and experiments were presented at QSYS 2023
$0 the cost for a high school student to participate in QSYS

From August 9 to 17, 42 keen students from Canada, the United States of America, The Czech Republic, India, Pakistan, and Cambodia were invited to IQC for the opportunity to forge international friendships and network with faculty members and researchers at the forefront of their fields.  

“There is an incredible interest in quantum science from young students around the world. It brings together those interested in the high-impact applications and foundational questions about reality like no other field.” says Dr. John Donohue, Senior Manager, Scientific Outreach at IQC.

Dr. John Donohue presenting for QSYS Students

Beginning with lectures on The History of Quantum and the The Mathematics of Quantum, our Scientific Outreach Team helped this year’s QSYS participants establish the necessary mathematical foundation needed to understand topics like quantum algorithms, quantum mechanics, and experimental physics. Students were encouraged to expand their knowledge through hands-on experiments exploring quantum effects like interference, resonance, atomic spectra, and entanglement.

One of the many highlights from this year included a keynote presentation from Dr. Alan Jamison, a faculty member at IQC and the University of Waterloo’s department of Physics and Astronomy. “It's a real treat to meet high school students with such enthusiasm for science, particularly quantum science,” says Jamison, who specializes in research with ultracold atoms. “I'm amazed by the depth of thought that comes out in their questions.” 

Dr. Alan Jamison presenting to a student-filled lecture hall
Students in IQC's Quantum Exploration Space

Students also heard from current IQC graduate students, including Fiona Thompson, who showed students how superconductivity works; Joan Arrow, founder of the Quantum Ethics Project; and Everett Patterson, who was both a chaperone and lecturer this year. “It’s been a tremendous privilege to mentor these exceptional students from around the world,” says Patterson. “Their appetite for learning about quantum and beyond impressed me both inside and outside of the classroom.” Participants were also given the opportunity to have small group discussions with our quantum researchers during a speed-mentoring roundtable. 

In its 16th year, IQC’s QSYS program continues to impact future generations of quantum researchers, surpassing over 1000 total participants from 46 countries around the world in 2023. With nearly 30 quantum researchers contributing to this year’s QSYS curriculum, a wealth of expertise and mentoring opportunities were readily available to ignite the curiosity of eager learners and encourage their interest in quantum. 

Fiona Thompson leading an experiment for QSYS students

Among a full itinerary of daily quantum learning and activities, students consistently enjoy IQC’s state-of-the-art facilities, including the Quantum Exploration Space with research-grade quantum systems for laboratory experiments, and taking part in social activities with their peers. This year, our students forged international friendships as they competed in bowling, went on a day trip to Niagara Falls, and challenged each other to a game of ball hockey. 

Students posing with hockey sticks
Students at a bowling alley
Students posing for a group photo at Niagara Falls

La Quantum School for Young Students de l’IQC franchit le cap des 1 000 élĂšves

Quantum School for Young Students group photo

Au cours des deux derniĂšres semaines, l’Institut d’informatique quantique (IQC) a ouvert les portes de ses locaux, laboratoires et communautĂ©s Ă  des Ă©lĂšves du monde entier Ă  l’occasion de la 16e session annuelle de la Quantum School for Young Students (QSYS). 

La QSYS est un programme d’enrichissement unique qui initie les Ă©lĂšves du secondaire au monde des sciences et technologies de l’informatique quantique. Pendant neuf jours, les Ă©lĂšves visitent l’IQC et dĂ©couvrent comment ce domaine interdisciplinaire combine l’informatique, le gĂ©nie, les mathĂ©matiques, la physique et la chimie afin de repousser les limites de la science moderne. Les Ă©lĂšves explorent les curiositĂ©s du monde Ă  l’échelle quantique Ă  travers des prĂ©sentations d’experts, des sĂ©ances de rĂ©solution de problĂšme et des expĂ©riences pratiques.

20+ Plus de 20 experts de l’IQC ont participĂ© Ă  la QSYS 2023
31 Il y a eu 31 présentations et expériences
$0 La participation est gratuite pour un Ă©lĂšve du secondaire

Du 9 au 17 aoĂ»t, 42 élĂšves passionnĂ©s provenant du Canada, des États-Unis, de la RĂ©publique tchĂšque, de l’Inde, du Pakistan et du Cambodge ont Ă©tĂ© invitĂ©s Ă  l’IQC afin de saisir cette occasion de former des amitiĂ©s internationales et de rĂ©seauter avec les professeurs et chercheurs Ă  l’avant-plan de leurs domaines.

« L’intĂ©rĂȘt que les jeunes Ă©lĂšves Ă  travers le monde portent Ă  l’informatique quantique est incroyable. Il rassemble les personnes intĂ©ressĂ©es par les applications importantes et par les questions fondamentales sur la rĂ©alitĂ© comme aucun autre domaine », dit John Donohue, gestionnaire principal de la vulgarisation scientifique de l’IQC.

Dr. John Donohue presenting for QSYS Students

Notre Ă©quipe de vulgarisation scientifique a commencĂ© par deux prĂ©sentations sur l’histoire de l’informatique quantique et les mathĂ©matiques en quantique pour que les participants puissent Ă©tablir les bases en mathĂ©matiques nĂ©cessaires pour comprendre les concepts comme les algorithmes quantiques, la mĂ©canique quantique et la physique expĂ©rimentale. Les Ă©lĂšves ont Ă©tĂ© encouragĂ©s Ă  Ă©largir leurs connaissances grĂące Ă  des expĂ©riences pratiques qui explorent les effets quantiques comme l’interfĂ©rence, la rĂ©sonance, les spectres atomiques et l’intrication.

L’un des nombreux Ă©vĂ©nements marquants de cette annĂ©e fut le discours inaugural de Alan Jamison, un professeur de l’IQC et du DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Waterloo « C’est un vrai plaisir de rencontrer des Ă©lĂšves du secondaire si enthousiastes envers la science, et particuliĂšrement en science quantique » affirme M. Jamison, qui se spĂ©cialise en recherche sur les atomes ultrafroids. « La profondeur de leurs questions m’étonne toujours. »

Dr. Alan Jamison presenting to a student-filled lecture hall
Students in IQC's Quantum Exploration Space

Les Ă©lĂšves ont aussi fait la rencontre d’étudiants aux cycles supĂ©rieurs de l’IQC comme Fiona Thompson, qui a expliquĂ© aux Ă©lĂšves ce qu’est la supraconductivitĂ©, Joan Arrow, qui a fondĂ© le Quantum Ethics Project et Everett Patterson, qui a jouĂ© le rĂŽle de chaperon et de confĂ©rencier cette annĂ©e. « Quel Ă©norme privilĂšge de mentorer ces Ă©lĂšves exceptionnels du monde entier! », explique Everett. « Leur soif de connaissance sur la quantique et au-delĂ  m’a impressionnĂ©, tant en classe qu’à l’extĂ©rieur. » Les participants ont aussi eu l’occasion de parler avec des chercheurs en quantique pendant une sĂ©ance de table ronde de mentorat accĂ©lĂ©rĂ©.

Lors de sa 16e édition, le programme QSYS de l’IQC continue d’influencer la relĂšve de la recherche quantique, dĂ©passant en 2023 le seuil de 1 000 provenant de 46 pays du monde. Avec la contribution de prĂšs de 30 chercheurs quantiques, le programme de la QSYS regorgeait d’expertise et d’occasion de mentorat pour piquer la curiositĂ© des participants prĂȘts Ă  apprendre et stimuler l’attrait de la quantique.

Fiona Thompson leading an experiment for QSYS students

Parmi les activitĂ©s et l’apprentissage portant sur la quantique au programme, les Ă©lĂšves apprĂ©cient toujours les installations Ă  la fine pointe de la technologie de l’IQC, dont l’Espace d’exploration quantique Ă©quipĂ© de systĂšmes de haute qualitĂ© pour les expĂ©riences de laboratoire et aiment socialiser avec leurs collĂšgues. Cette annĂ©e, les Ă©lĂšves ont formĂ© des amitiĂ©s internationales en jouant aux quilles, en allant visiter les chutes du Niagara et en jouant au hockey-balle.

Students posing with hockey sticks
Students at a bowling alley
Students posing for a group photo at Niagara Falls

Q and A with the experts: The importance of quantum-safe cyber security today and for the future

Q and A with the experts: The importance of quantum-safe cyber security today and for the future

Monday, August 14, 2023

Waterloo professor Michele Mosca shares best practices for using quantum to safeguard important data

Cyber security risks are more prominent today than ever. The advancement of quantum computers that could intercept today’s encrypted data prompts governments and citizens to understand, evaluate, and consider new ways to protect important information. Dr. Michele Mosca of the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing, an expert in quantum-safe cryptography, outlines best practices for using quantum-safe technologies to safeguard our most important data. 

What is the cyber security threat created by new and developing quantum computing technologies?  

 Most of our digital infrastructures rely on public-key cryptography to protect the security of our information. This includes protecting the confidentiality of transmitted data. It also includes trusting the integrity and origin of information. For example, we know software updates are legitimate and not malware. This also includes maintaining the availability of IT systems and increasingly the availability and control of operational technologies. 

A large fault-tolerant quantum computer can break today’s public-key cryptography and compromise this security in a very profound and systemic way. 

 

Read Dr. Mosca's answers to the questions What best practices should governments and national leaders develop when considering responses to these types of cyber threats? and What are some proactive steps citizens should develop to help safeguard their data as quantum technologies advance?  on the full version of this Q and A on Waterloo News.

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La parole aux experts : la quantique, garante de la cybersĂ©curitĂ© aujourd’hui et demain

Michele Mosca, professeur Ă  l’UniversitĂ© de Waterloo, explique comment on peut se servir de la quantique pour protĂ©ger ses donnĂ©es

Les risques de sĂ©curitĂ© informatique sont plus manifestes que jamais. L’avĂšnement prĂ©vu d’ordinateurs quantiques capables d’intercepter nos donnĂ©es cryptĂ©es oblige les pouvoirs publics et les citoyens Ă  comprendre le phĂ©nomĂšne et Ă  trouver moyen de protĂ©ger les renseignements sensibles. Michele Mosca, expert en cryptographie quantique Ă  l’Institut d’informatique quantique de l’UniversitĂ© de Waterloo, explique comment on peut utiliser cette technologie pour protĂ©ger nos donnĂ©es les plus prĂ©cieuses.

Quelles sont les menaces posĂ©es par le dĂ©veloppement de l’informatique quantique?

Pour l’essentiel, la sĂ©curitĂ© de nos infrastructures numĂ©riques repose sur la cryptographie Ă  clĂ© publique. Cette technique garantit la protection des donnĂ©es en cours de transmission ainsi que l’intĂ©gritĂ© et l’origine de l’information : c’est ainsi qu’on peut savoir, par exemple, qu’une mise Ă  jour logicielle n’est ni trompeuse ni malveillante. Elle assure aussi la disponibilitĂ© des systĂšmes informatiques et, de plus en plus, la disponibilitĂ© et le contrĂŽle des technologies opĂ©rationnelles.

Or, un mégaordinateur quantique insensible aux défaillances peut déjouer les systÚmes actuels de cryptographie à clé publique et ainsi causer des dégùts généralisés fort préoccupants.

Comment les pouvoirs publics et les décideurs du pays peuvent-ils nous prémunir contre ces menaces?

Les dĂ©cideurs doivent s’engager Ă  mettre les systĂšmes gouvernementaux Ă  l’abri des technologies quantiques avant une date butoir Ă  Ă©tablir en fonction de l’importance de chaque systĂšme. Ils doivent aussi veiller Ă  ce que les secteurs qu’ils encadrent fassent de mĂȘme, et leur indiquer comment procĂ©der.

Ils doivent Ă©galement impulser une planification et une mise Ă  l’essai expĂ©ditives, mener des projets pilotes serrĂ©s, et encourager le recours Ă  des fournisseurs de services – nationaux ou autres – dignes de confiance pour l’élaboration de plans de transition donnant accĂšs Ă  des solutions et Ă  un savoir-faire solides qui pourront ĂȘtre dĂ©ployĂ©s

efficacement au moment voulu. Ils doivent enfin favoriser un financement ciblé pour que la recherche et la formation puissent suivre la cadence.

Que doivent faire les citoyens pour protéger leurs données au vu de ces nouvelles menaces?

Il y a d’abord les prĂ©cautions classiques : faire ses mises Ă  jour, ne rien tĂ©lĂ©charger d’une source douteuse, activer l’authentification multifacteur, recourir Ă  un VPN autant que possible.

On peut aussi demander à ses fournisseurs de logiciels si ceux-ci sont protégés contre les menaces quantiques, et sinon, à quel moment une version sûre sera offerte.

On peut en outre, sur tout site gouvernemental, dĂšs qu’on en a l’occasion, demander pourquoi nos informations confidentielles ne sont pas encore protĂ©gĂ©es par la cryptographie quantique puisque les donnĂ©es transmises (recensement, NAS, donnĂ©es sur la santĂ©, etc.) peuvent ĂȘtre enregistrĂ©es maintenant et dĂ©cryptĂ©es plus tard lorsque les ordinateurs quantiques arriveront. Plus il y aura de demandes, plus les responsables seront pressĂ©s d’agir.

Enfin, on peut demander Ă  son dĂ©putĂ© fĂ©dĂ©ral ou provincial si l’Administration suit les pratiques exemplaires dans ce domaine.

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IQC welcomes Dr. Graeme Smith as newest faculty member

IQC welcomes Dr. Graeme Smith as newest faculty member

Monday, July 10, 2023

We are pleased to welcome Dr. Graeme Smith to the Institute for Quantum Computing (IQC) this month. Smith joins the University of Waterloo as a new faculty member at IQC and the department of Applied Mathematics.

Smith’s research focuses on the ‘information’ part of quantum information theory. His research considers the limits of information storage, transmission, and processing. This extends Shannon’s classical Information Theory to regimes where quantum effects are important. As a theorist, Smith studies the mathematical side of quantum information and is interested in combinatorics and computation. He is also interested in metrology, the science of doing precise measurements and identifying fundamental limits.

Smith is passionate about science communication and is an advocate for countering the misinformation often spread about quantum computing. He is active on Twitter, and frequently uses the platform to share measured and accurate information about the current pace and abilities of quantum processing.

Previously, Smith was a professor at JILA, a joint institute of the University of Colorado Boulder and NIST, as well as a staff member at IBM. He obtained his bachelor’s degree from the University of Toronto, and his PhD from the California Institute of Technology.

Please join us in welcoming Graeme to IQC!

Graeme Smith

 

Graeme Smith rejoint le corps professoral de l’IQC

Ce mois-ci, l’Institut d’informatique quantique (IQC) est fier d’accueillir Graeme Smith, qui se joint Ă  l’équipe de l’UniversitĂ© de Waterloo Ă  titre de professeur de l’IQC et du DĂ©partement de mathĂ©matiques appliquĂ©es.

Les travaux de Graeme Smith portent principalement sur la portion « information » de la thĂ©orie de l’information quantique, visant les limites du stockage, de la transmission et du traitement de l’information; ils Ă©tendent la thĂ©orie de l’information classique de Shannon aux rĂ©gimes oĂč les effets quantiques sont importants. ThĂ©oricien, M. Smith Ă©tudie les mathĂ©matiques de l’information quantique et s’intĂ©resse Ă  la combinatoire et Ă  l’informatique. Il porte aussi un intĂ©rĂȘt Ă  la mĂ©trologie, soit la science des mesures prĂ©cises et des limites fondamentales.

PassionnĂ© de communication scientifique, il combat la mĂ©sinformation qui circule souvent sur l’informatique quantique. Il est actif sur Twitter et utilise frĂ©quemment la plateforme pour partager de l’information exacte et bien dosĂ©e sur la progression et les capacitĂ©s du traitement quantique.

Par le passĂ©, Graeme Smith a Ă©tĂ© professeur au JILA, l’institut conjoint de l’UniversitĂ© du Colorado Ă  Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST), ainsi qu’employĂ© Ă  IBM. Il dĂ©tient un baccalaurĂ©at de l’UniversitĂ© de Toronto et un doctorat du California Institute of Technology.

Accueillons-le chaleureusement à l’IQC!

Graeme Smith

IQC celebrates International Women in Engineering Day

8 September 2023 at 14:29

IQC celebrates International Women in Engineering Day

Friday, June 23, 2023
International Women in Engineering Day

On June 23rd, we celebrate International Women in Engineering Day. At the Institute for Quantum Computing (IQC), we are proud to have a supportive community of interdisciplinary members from seven different faculties at the University of Waterloo, spanning engineers, mathematicians, and scientists. 

Today, we’re celebrating some of the female-identifying engineers in our community by showcasing their remarkable achievements, experiences, and valuable guidance for those aspiring to help build a brighter future. We hope that the growing visibility of women in engineering encourages more young women and girls to pursue a future in STEM (science, technology, engineering and math) fields.

Dr. Na Young Kim

Dr. Na Young Kim 

Faculty, Institute for Quantum Computing   
Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Waterloo 


Na Young Kim joined IQC in 2016 after earning a PhD in applied physics from Stanford University, where she explored mesoscopic transport properties in low-dimensional nanostructures. During her postgraduate research, she expanded her scope to the fields of quantum optics and nanophotonics, working on several experimental and theoretical projects with graduate students, postdoctoral scholars, and collaborators.

At IQC, Kim leads the Quantum Innovation (QuIN) laboratory, dedicated to constructing large-scale quantum processors based on both conventional and cutting-edge materials as well as advanced technologies. Her team focuses on integrating photonic structures into various semiconductor materials to engineer powerful light-matter interactions. They also leverage classical machine learning algorithms to analyze noise processes in both classical and quantum devices. Furthermore, the team continuously explores emerging materials and their heterostructures for a wide range of applications, including detectors, whose properties are explained through device modeling. Kim embraces a multitude of roles within the QuIN lab, aspiring to be a visionary who defines the research goals and direction. She excels as a meticulous planner, adept at outlining concrete and detailed action steps; a research coach who guides and cultivates students by extracting their potential and pushing them beyond their capacities; and an active researcher who is engaged in hands-on experiments and data analysis, closely driving projects forward and contributing to scientific exploration.

“The future of quantum science and engineering hinges upon the presence of skilled and devoted individuals with unwavering commitment and positive mindsets. I hold a steadfast belief that research is an inherently creative endeavor that necessitates both apprenticeship and craftsmanship over extended periods of time and limitless practices. Consequently, researchers are destined to persevere and flourish, generating new knowledge, pioneering new technologies, and extracting new lessons. It is this very dedication that empowers us to overcome both apparent and concealed obstacles, barriers, and challenges. Ultimately, we must engage in profound introspection when making decisions and navigating through our lives with a profound sense of responsibility and ownership.”

Recently, Kim’s interdisciplinary team has focused on hybrid classical and quantum approaches for solid-state quantum architecture. One approach is to adopt deep neural network models for random telegraph signals that are ubiquitous in classical and quantum devices; the other is to establish reproducible methods for producing high-quality nanomaterials and their films with which the arrays of quantum photonic and electronic devices can be designed and constructed.

 

Katie McDonnell

Dr. Katie McDonnell 

Postdoctoral Fellow, Institute for Quantum Computing
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Waterloo 


Katie McDonnell attended Strathclyde University in Glasgow, Scotland where she earned her undergraduate degree in maths and physics, followed by her master’s degree in nanoscience. Preferring experimental work over theory, McDonnell then continued her research in the optics-based labs at Strathclyde, which led to earning a PhD in quantum optics and atomic physics. 

At IQC, McDonnell works as a postdoctoral fellow with Dr. Michael Reimer and Dr. Michal Bajcsy on an experimental project that aims to interface cold atoms and quantum dots to create a hybrid quantum repeater, a system which divides long quantum communication distances into several smaller segments, each with its own unique quantum encryption. The techniques utilized in creating a hybrid repeater allow the researchers to convert the wavelengths of single photons or to store light in the atom, using the atom as a quantum memory.  

“Working in quantum technologies brings people together from various disciplines, including engineering and physics, all of which are necessary to advance the field. While my background is in physics, I now conduct research in the Faculty of Engineering and bring a different set of skills to the work. It is such a wonderful opportunity for me to gain experience in engineering and to further collaborative research in quantum.” 

McDonnell volunteers with IQC’s scientific outreach initiatives, having recently offered her time to teach a group of visiting high school students about quantum key distribution. She also gave a lecture on quantum computing at the University of Waterloo’s Renison University College for non-native English speakers who were interested in coming to the University of Waterloo for their studies. 

 

Sarah Odinotski

Sarah Odinotski 

PhD Student, Institute for Quantum Computing 
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Waterloo 


Sarah Odinotski earned her Honours Bachelor of Applied Science (BASc) degree in nanotechnology engineering and completed the Certificate in Co-operative Education in Research program at the University of Waterloo. In this unique program, which she recommends to any students who want to pursue work in research-focused positions, Odinotski zeroed in on the areas of microfabrication, nano-electronics, and nano-medicine. She chose nanotechnology engineering because of the creativity, problem-solving, and personal enrichment that takes place in this inspiring and interdisciplinary environment. 

“I think engineering is an exciting field because it allows us to focus on creative ways that we can translate theories into practical tools which benefit society. My advice for anyone wanting to pursue engineering would be to keep an open mind and embrace your failures, because that’s where we learn the most!” 

Odinotski recently transferred from the master’s program to her PhD, continuing her studies in Dr. Michael Reimer’s lab. She is developing a single photon detector for biophotonic applications, a research area that combines biology and photonics to study the optical processes in natural and engineered materials. She enjoys working toward translational research that will be accessible and beneficial to the public. Shifting her career towards medical device design revealed the direct impact that lab work can have on people’s wellbeing and quality of life. 

In 2021, Odinotski was named the Engineering Co-op Student of the Year at Waterloo as well as the Kitchener-Waterloo Woman of the Year in the Young Adult division. To date, Odinotski has helped design and create two point-of-care sensors; a hydrogel-based pH biosensor, for which she has a pending US Patent; as well as a cortisol biosensor, for which her design team received the Norman Esch Entrepreneurship Award. She hopes that these achievements are only the start of the impact she will have as she continues her research at IQC. 

 

Cindy Yang

Cindy Yang 

PhD Student, Institute for Quantum Computing 
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Waterloo 


Cindy Yang is a PhD student at IQC, joining the institute after completing her BASc in nanotechnology engineering at the University of Waterloo. Waterloo’s co-operative education program has allowed her to explore various research fields, from the synthesis of novel nanomaterials to ultrasound sensor development at Sunnybrook Research Institute, as well as working with acoustofluidics at the Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) University. 

“Information is physical, and its realization is engineering. There are many gaps between different areas of expertise, and engineers are the bridges to those gaps. It is quite a challenging task, as a very diverse set of knowledge is required. But this also makes it ever so rewarding.” 

Yang’s current research focus is on waveguide quantum electrodynamics (QED). This work brings out many intriguing effects of quantum emitters, like correlated decay and exchange interactions, which may have implications for applications such as integrated photonics, quantum information processing, and optical communication systems. Her experimental research is concentrated on novel waveguide configurations that utilize superconducting circuits. 

In 2020, Yang received the inaugural Laflamme and Gregson Graduate Scholarship for Women in Quantum Information Science in acknowledgement of her strong academic achievements and potential for research excellence. More recently, she received the 2022 Jim and Diane Ohi Memorial Award for her leadership contributions to Electrical and Computer Engineering (ECE) as well as her high academic achievements. This award recognizes her effective leadership and many contributions to the ECE graduate student community during her tenure as ECE Graduate Student Association (GSA) President. Yang is currently a member of the Engineering Graduate Studies Student Advisory Committee (EGSSAC), advocating for ECE PhD constituents, where she actively volunteers and organizes for events such as orientations, hackathons, convocation, and IQC’s summer outreach school programs for undergraduate and high school students (USEQIP and QSYS). She also currently holds the Ontario Graduate Scholarship (OGS). 

 

 


L’IQC souligne la JournĂ©e internationale des femmes en gĂ©nie

International Women in Engineering Day

La Journée internationale des femmes en génie

Le 23 juin, c’est la JournĂ©e internationale des femmes en gĂ©nie. L’Institut d’informatique quantique (IQC) est fier d’avoir une communautĂ© interdisciplinaire soudĂ©e, rĂ©unissant des membres de sept facultĂ©s de l’UniversitĂ© de Waterloo, en gĂ©nie, en mathĂ©matiques et en sciences.

Il cĂ©lĂšbre aujourd’hui certaines de ses brillantes ingĂ©nieures, qui accomplissent de grandes choses, possĂšdent un bagage remarquable et offrent de prĂ©cieux conseils Ă  ceux et celles qui aspirent Ă  tracer l’avenir. EspĂ©rons que la visibilitĂ© croissante des femmes en gĂ©nie encourage plus de filles et de jeunes femmes Ă  se lancer en STIM (science, technologie, ingĂ©nierie et mathĂ©matiques)!

Dr. Na Young Kim

Dr. Na Young Kim 

Membre du corps professoral, Institut d’informatique quantique
Professeure, Département de génie électrique et informatique, Université de Waterloo


Na Young Kim est arrivĂ©e Ă  l’IQC en 2016, aprĂšs avoir dĂ©crochĂ© un doctorat en physique appliquĂ©e de l’UniversitĂ© Stanford, oĂč elle a Ă©tudiĂ© les propriĂ©tĂ©s du transport mĂ©socospique dans les nanostructures de basse dimensionnalitĂ©. Dans sa recherche aux cycles supĂ©rieurs, elle a Ă©tendu ses travaux Ă  l’optique quantique et Ă  la nanophotonique, travaillant sur plusieurs projets expĂ©rimentaux et thĂ©oriques avec des Ă©tudiants des cycles supĂ©rieurs, des chercheurs postdoctoraux et d’autres collaborateurs.

À l’IQC, Na Young Kim dirige le laboratoire d’innovation quantique, qui utilise divers matĂ©riaux conventionnels et de pointe ainsi que des technologies avancĂ©es pour construire des processeurs quantiques Ă  grande Ă©chelle. Son Ă©quipe travaille plus particuliĂšrement Ă  l’intĂ©gration de structures photoniques Ă  diffĂ©rents matĂ©riaux semiconducteurs pour donner lieu Ă  de puissantes interactions entre la lumiĂšre et la matiĂšre. Elle utilise aussi les algorithmes classiques d’apprentissage machine pour analyser les processus de bruit des dispositifs classiques et quantiques. En outre, l’équipe Ă©value continuellement l’utilitĂ© des nouveaux matĂ©riaux et de leurs hĂ©tĂ©rostructures dans un large Ă©ventail d’applications, comme des dĂ©tecteurs dont les propriĂ©tĂ©s sont exposĂ©es par modĂ©lisation des dispositifs. Na Young Kim remplit plusieurs rĂŽles au laboratoire d’innovation quantique; non seulement elle souhaite imprimer sa vision de la recherche et en dĂ©finir les objectifs et l’orientation, mais elle excelle aussi comme planificatrice rigoureuse sachant fixer des Ă©tapes concrĂštes et dĂ©taillĂ©es, comme mentore en recherche poussant les Ă©tudiants Ă  rĂ©aliser leur potentiel et Ă  se dĂ©passer, et comme chercheuse active menant des expĂ©riences pratiques et des analyses de donnĂ©es pour encadrer Ă©troitement ses projets et contribuer Ă  l’exploration scientifique.

« L’avenir des sciences quantiques et de l’ingĂ©nierie dĂ©pend de la prĂ©sence de personnes talentueuses et dĂ©vouĂ©es aussi inĂ©branlables qu’optimistes. Je crois fermement que la recherche est une entreprise intrinsĂšquement crĂ©ative qui requiert un apprentissage et un savoir-faire soutenus ainsi qu’un entraĂźnement sans fin. Par consĂ©quent, les chercheurs sont destinĂ©s Ă  persĂ©vĂ©rer et Ă  prospĂ©rer, gĂ©nĂ©rant de nouvelles connaissances, menant la barque des nouvelles technologies et extrayant de nouveaux apprentissages. C’est ce dĂ©vouement qui nous permet de surmonter obstacles, barriĂšres et dĂ©fis, mĂȘme les plus inattendus. Nous devons procĂ©der Ă  une introspection profonde pour prendre nos dĂ©cisions et faire preuve dans nos vies d’un sens aigu de nos responsabilitĂ©s. »

RĂ©cemment, l’équipe interdisciplinaire de Na Young Kim s’est penchĂ©e sur des approches hybrides classiques-quantiques pour l’architecture quantique Ă  l’état solide. La premiĂšre approche consiste Ă  adopter des modĂšles de rĂ©seaux de neurones profonds pour les signaux tĂ©lĂ©graphiques alĂ©atoires omniprĂ©sents dans les dispositifs classiques et quantiques, et la seconde, Ă  Ă©tablir des mĂ©thodes reproductibles pour la production de nanomatĂ©riaux et de pellicules de grande qualitĂ© pouvant ĂȘtre employĂ©s dans la conception et la construction d’un large Ă©ventail de dispositifs quantiques photoniques et Ă©lectroniques.

Katie McDonnell

Katie McDonnell, Ph. D.

Stagiaire postdoctorale, Institut d’informatique quantique
Département de génie électrique et informatique, Université de Waterloo


Katie McDonnell Ă©tudiait Ă  l’UniversitĂ© de Glasgow lorsqu’elle a dĂ©crochĂ© son baccalaurĂ©at en mathĂ©matiques et en physique; elle a ensuite obtenu une maĂźtrise en nanoscience Ă  l’UniversitĂ© de Strathclyde. Femme de terrain avant d’ĂȘtre thĂ©oricienne, elle a poursuivi sa recherche aux laboratoires d’optique de Strathclyde, ce qui l’a conduit Ă  obtenir un doctorat en optique quantique et en physique atomique.

À l’Institut, la chercheure travaille comme stagiaire postdoctorale avec les professeurs Michael Reimer et Michal Bajcsy sur un projet expĂ©rimental qui vise Ă  interfacer des atomes froids et des points quantiques pour crĂ©er un rĂ©pĂ©teur quantique hybride, un systĂšme qui divise les longues distances de communication quantique en plusieurs petits segments ayant leur propre cryptage. Les techniques employĂ©es au cours de ce projet ont permis aux chercheurs de convertir les longueurs d’onde de photons uniques ou d’emmagasiner la lumiĂšre dans l’atome, en utilisant ce dernier comme une mĂ©moire quantique.

« Le domaine des technologies quantiques rassemble des gens issus de diverses disciplines, y compris le gĂ©nie et la physique, qui sont toutes essentielles au progrĂšs du domaine. J’ai surtout ƓuvrĂ© en physique, mais je dirige actuellement la recherche Ă  la FacultĂ© de gĂ©nie et mon expĂ©rience me permet d’y apporter une couleur diffĂ©rente. C’est une occasion en or pour moi d’acquĂ©rir de l’expĂ©rience en gĂ©nie et de faire avancer la recherche collaborative en quantique. »

Katie McDonnell participe bĂ©nĂ©volement aux initiatives de vulgarisation scientifique de l’Institut d’informatique quantique; elle a rĂ©cemment enseignĂ© bĂ©nĂ©volement la distribution quantique de clĂ© Ă  un groupe de visiteurs du secondaire. Elle a aussi donnĂ© une confĂ©rence sur l’informatique quantique au Renison University College de l’UniversitĂ© de Waterloo Ă  des Ă©tudiants potentiels dont l’anglais n’était pas la premiĂšre langue.

Sarah Odinotski

Sarah Odinotski

Étudiante à la maütrise, Institut d’informatique quantique
Département de génie électrique et informatique, Université de Waterloo


Sarah Odinotski a obtenu son baccalaurĂ©at en sciences appliquĂ© spĂ©cialisĂ© en gĂ©nie nanotechnologique et effectuĂ© un certificat en recherche, rĂ©gime coopĂ©ratif à l’UniversitĂ© de Waterloo. Dans ce programme unique, qu’elle recommande aux Ă©tudiants qui s’orientent vers la recherche professionnelle, la chercheuse s’est concentrĂ©e sur les domaines de la microfabrication, de la nanoĂ©lectronique et de la nanomĂ©decine. Son choix s’est arrĂȘtĂ© sur le gĂ©nie nanotechnologique en raison de la crĂ©ativitĂ©, de la recherche de solutions et de l’enrichissement personnel qui caractĂ©risent ce milieu interdisciplinaire inspirant.

« Je crois que le gĂ©nie est un domaine intĂ©ressant, car il nous permet de nous concentrer sur des façons crĂ©atives de passer de la thĂ©orie Ă  des outils pratiques aux retombĂ©es sociales utiles. Mon conseil pour celles et ceux qui souhaitent se diriger dans cette branche? Gardez l’esprit ouvert et reconnaissez vos erreurs, car c’est ainsi que l’on apprend le plus! »

Aujourd’hui, Sarah Odinotski est Ă©tudiante Ă  la maĂźtrise au laboratoire du professeur Michael Reimer; elle conçoit un dĂ©tecteur de photon unique utilisĂ© en biophotonique, un domaine de recherche qui combine biologie et photonique pour Ă©tudier les processus optiques dans des matĂ©riaux naturels et artificiels. Elle aime travailler en recherche translationnelle pour produire des rĂ©sultats accessibles et bĂ©nĂ©fiques pour le public. En rĂ©orientant sa carriĂšre vers la conception d’appareils mĂ©dicaux, elle a compris toute la portĂ©e du travail de laboratoire dans le bien-ĂȘtre et la qualitĂ© de vie des gens.

En 2021, elle a Ă©tĂ© nommĂ©e étudiante en gĂ©nie au rĂ©gime coopĂ©ratif de l’annĂ©e à l’UniversitĂ© de Waterloo ainsi que femme de l’annĂ©e Kitchener-Waterloo dans la catĂ©gorie jeune adulte. Jusqu’à maintenant, elle a contribuĂ© Ă  la conception et Ă  la crĂ©ation de deux capteurs au point d’intervention : un biocapteur de pH Ă  base d’hydrogel, pour lequel elle attend un brevet amĂ©ricain, ainsi qu’un biocapteur de cortisol, pour lequel l’équipe de conception s’est vu dĂ©cerner le prix d’entrepreneuriat Norman-Esch. Elle espĂšre que ces rĂ©ussites marquent le dĂ©but d’une carriĂšre florissante qui s’amorce avec sa maĂźtrise Ă  l’Institut d’informatique quantique.

Cindy Yang

Cindy Yang 

Étudiante au doctorat, Institut d’informatique quantique
Département de génie électrique et informatique, Université de Waterloo


AprĂšs son baccalaurĂ©at Ăšs sciences appliquĂ©es en gĂ©nie nanotechnologique Ă  l’UniversitĂ© de Waterloo, Cindy Yang a choisi l’IQC pour faire son doctorat. Le programme coopĂ©ratif de l’UniversitĂ© de Waterloo lui a permis d’explorer divers champs de recherche au Sunnybrook Research Institute, de la synthĂšse de nouveaux nanomatĂ©riaux au dĂ©veloppement de capteurs ultrasoniques, ainsi que de travailler en acoustofluidique Ă  l’UniversitĂ© RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology).

« L’information est physique, et ses manifestations relĂšvent de l’ingĂ©nierie. Il existe des espaces vides entre les diffĂ©rents champs d’expertise, espaces que les ingĂ©nieurs Ɠuvrent Ă  combler. C’est un travail plutĂŽt complexe qui requiert vraiment toutes sortes de connaissances, mais qui est aussi tellement valorisant. »

AxĂ©s sur l’électrodynamique quantique en guide d’ondes, les travaux actuels de Cindy Yang rĂ©vĂšlent de nombreux effets intrigants des Ă©metteurs quantiques, comme la dĂ©sintĂ©gration corrĂ©lĂ©e et les interactions d’échange, qui pourraient se rĂ©percuter sur des applications comme la photonique intĂ©grĂ©e, le traitement d’information quantique et les systĂšmes de communication optique. La recherche expĂ©rimentale de Mme Yang porte surtout sur les nouvelles configurations de guides d’ondes Ă  l’aide de circuits supraconducteurs.

En 2020, Cindy Yang a reçu la premiĂšre bourse d’études supĂ©rieures Raymond-Laflamme-et-Janice-Gregson pour les femmes en informatique quantique, pour ses grandes rĂ©ussites scolaires et pour son potentiel d’excellence en recherche. Plus rĂ©cemment, elle a reçu le prix commĂ©moratif Jim-et-Diane-Ohi, pour son leadership au DĂ©partement de gĂ©nie Ă©lectrique et informatique et, encore une fois, pour ses grandes rĂ©ussites scolaires. Ce prix reconnaĂźt l’efficacitĂ© de son leadership ainsi que ses nombreuses contributions Ă  la communautĂ© Ă©tudiante des cycles supĂ©rieurs de ce dĂ©partement pendant son mandat Ă  la prĂ©sidence de l’association des Ă©tudiants des cycles supĂ©rieurs du DĂ©partement de gĂ©nie Ă©lectrique et informatique. À l’heure actuelle, elle reprĂ©sente ses collĂšgues doctorants du DĂ©partement au comitĂ© consultatif des Ă©tudiants en gĂ©nie des cycles supĂ©rieurs et travaille activement comme bĂ©nĂ©vole et organisatrice d’évĂ©nements variĂ©s (sĂ©ances d’orientation, marathons de programmation, convocations, et Ă©coles d’étĂ© USEQIP et QSYS de l’IQC pour les Ă©tudiants du premier cycle et les Ă©lĂšves du secondaire). Enfin, elle est titulaire d’une bourse d’études supĂ©rieures de l’Ontario (BESO).

IQC's Undergraduate School on Experimental Quantum Information Processing inspires undergraduate students

IQC's Undergraduate School on Experimental Quantum Information Processing inspires undergraduate students

Monday, June 12, 2023

The 14th annual Undergraduate School on Experimental Quantum Information Processing (USEQIP) was in full swing over the last two weeks at the Institute for Quantum Computing (IQC). This outreach program invites undergraduate students from around the world to IQC for a deep dive into quantum information. Students learn an introduction to quantum theory, explore experimental approaches to quantum devices, and have the opportunity for hands-on exploration over nine different experiments.

This summer, IQC has welcomed 32 students from across Canada, the United States of America and India to explore the world of quantum information from May 29 to June 9. Of these students, 85 per cent are staying in Waterloo for the remainder of the summer with research awards to work with IQC faculty members.

“It's been wonderful to see this level of excitement and passion from the students for quantum science,” says Dr. John Donohue, Senior Manager, Scientific Outreach at IQC. “The hands-on experiences in USEQIP are hard to find elsewhere, and the students have done a fantastic job translating quantum information theory to real physical devices.”

 

QSYS 2023 group photo
A USEQIP student writing on a whiteboard at the front of IQC's lecture theatre
USEQIP students solving problems on a white board
Three USEQIP students at a whiteboard working through math equations together

The students learned about a wide variety of quantum applications in presentations from faculty members and IQC graduate students. Highlights from this year’s program included graduate student presentations on neutrons from PhD student Melissa Henderson, and quantum error correction from MMath student Sarah Meng Li.

 “I was previously a USEQIP student, and it expanded my horizons and allowed me to grow,” said Li. “Now as an IQC student, being able to come back and share what I’ve learned from my research is very rewarding. It tells me that I have learned and grew as a person, and I’m now giving back to my community. That’s very empowering.”

Students also participated in over 30 hours of experimental work over the two weeks, including experiments using nuclear magnetic resonance, superconductivity, quantum entanglement, and quantum key distribution, and also had a chance to enter the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility’s cleanroom environment. Many of these labs and presentations took place in the Quantum Exploration Space, a state-of-the-art lab space used to give students and IQC visitors access to real, research-grade quantum systems for laboratory experiments and knowledge building.

While the students were here to learn and engage in quantum information, a large part of what makes IQC a great atmosphere to be part of is our community building. USEQIP students were challenged to a game of ball hockey with IQC faculty members, students and staff; were encouraged to participate in bowling and pub nights; and had the option to take a bus trip to Niagara Falls.

The USEQIP program is supported by both IQC and Transformative Quantum Technologies (TQT). Over the past 14 years, USEQIP has reached participants from 32 countries.

USEQIP students in the lab
USEQIP students playing ball hockey with IQC members
A USEQIP student at a lab bench connecting wires to a measurement apparatus

 

See what our students are saying about quantum and USEQIP:

“It’s the best time to be in quantum. We’re in a sweet spot where theory and experiment are both growing, and there’s also a lot of investment going on. This is your chance to do something revolutionary – you can make a mark in history." - Arnav Arora
“USEQIP is a wonderful program. My favourite part has been the sheer number of new ideas that I’ve been exposed to, and the emphasis on innovation. Now I have a lot more resources, and it’s making me a better thinker.” - Caleb Williams
“If you’re interested in quantum, this is the best opportunity you can get to learn more about the field.” - Dristhi Baruah
“My favourite part is the networking and the idea of meeting people with similar interests. In USEQIP, the concentration of people with similar interests is so high, it brings out the best in everyone in such an interdisciplinary and collaborative way." - Elias Lehman
“I really like how there are so many rabbit holes to go down in quantum. I enjoy that it’s a bit of a creative space to work in. I’m a creative person, and I like how that translates over into a more rigorous scientific aspect in quantum.” - Emily Nobes
"I decided to come to USEQIP because I don’t know much about quantum and I wanted to know more. My goal was to learn a lot. The lectures are really fun; it’s not really a lecture, it’s an open discussion, and the profs are happy to answer your questions." - Felix Belair

 

 


 

Le programme de formation de l’École de premier cycle sur le traitement quantique expĂ©rimental de l’information de l’IQC inspire les Ă©tudiants

Pendant deux semaines, la 14e édition du programme de formation de l’École de premier cycle sur le traitement quantique expĂ©rimental de l’information (USEQIP) a battu son plein Ă  l’Institut d’informatique quantique (IQC). Ce programme de sensibilisation accueille des Ă©tudiants de premier cycle de partout dans le monde Ă  l’IQC pour explorer en dĂ©tail l’information quantique. Les participants et participantes suivent des cours d’introduction Ă  la thĂ©orie quantique, explorent diffĂ©rentes approches expĂ©rimentales employĂ©es dans les dispositifs quantiques, et peuvent faire neuf expĂ©riences pratiques.

Cet Ă©tĂ©, l’IQC a accueilli 32 personnes du Canada, des États-Unis et de l’Inde, afin de leur permettre d’explorer le monde de l’informatique quantique du 29 mai au 9 juin. Parmi eux, 85 % resteront Ă  Waterloo jusqu’à la fin de l’étĂ© grĂące Ă  une bourse de recherche pour travailler avec des membres du corps professoral de l’IQC.

Pour John Donohue, gestionnaire principal de la vulgarisation scientifique à l’IQC, « c’était vraiment formidable de voir les Ă©tudiants aussi excitĂ©s et enthousiasmĂ©s par les sciences quantiques. Les expĂ©riences pratiques de l’USEQIP sont uniques en leur genre. Les participants ont merveilleusement bien appliquĂ© la thĂ©orie de l’informatique quantique aux vraies machines. »

QSYS 2023 group photo
A USEQIP student writing on a whiteboard at the front of IQC's lecture theatre
USEQIP students solving problems on a white board
Three USEQIP students at a whiteboard working through math equations together

Des membres du corps professoral et des Ă©tudiants de 3e cycle de l’IQC ont donnĂ© des prĂ©sentations sur une grande diversitĂ© d’applications de la quantique. Parmi les meilleurs moments du programme de cette annĂ©e, on compte la prĂ©sentation sur les neutrons de Melissa Henderson, Ă©tudiante au doctorat, et l’exposĂ© sur la correction d’erreurs quantiques de Sarah Meng Li, Ă©tudiante Ă  la maĂźtrise en mathĂ©matiques.

« J’ai dĂ©jĂ  Ă©tĂ© Ă©tudiante Ă  l’USEQIP, et ça a Ă©largi mes horizons et m’a permis d’évoluer », affirme-t-elle. « Y revenir aujourd’hui en tant qu’étudiante de l’IQC et partager ce que mes recherches m’ont appris est trĂšs gratifiant. Ça me prouve que j’ai Ă©voluĂ© et grandi sur le plan personnel, et me permet de redonner Ă  ma communautĂ©. C’est trĂšs stimulant. »

Les Ă©tudiants ont aussi participĂ© Ă  plus de 30 heures de travaux expĂ©rimentaux pendant les deux semaines du programme. Ils ont notamment planchĂ© sur la rĂ©sonance magnĂ©tique nuclĂ©aire, la supraconductivitĂ©, l’intrication quantique et la distribution quantique de clĂ©s. Ils ont Ă©galement eu la chance de pĂ©nĂ©trer dans la salle blanche de l’Installation de fabrication et caractĂ©risation nanomĂ©triques quantiques. Plusieurs de ces laboratoires et prĂ©sentations se dĂ©roulaient dans l’Espace d’exploration quantique, un laboratoire Ă  la fine pointe de la technologie conçu pour que les Ă©tudiants et visiteurs de l’IQC puissent avoir accĂšs Ă  de vrais systĂšmes quantiques propres Ă  la recherche pour mener des expĂ©riences et cultiver leurs connaissances.

Bien que les participants soient venus pour se familiariser avec l’information quantique, la clĂ© de la bonne atmosphĂšre qui rĂšgne Ă  l’IQC, c’est son intĂ©gration Ă  la communautĂ©. Les Ă©tudiants de l’USEQIP ont affrontĂ© les professeurs de l’IQC dans une partie de hockey-balle, et Ă©tudiants et membres du personnel ont pu participer Ă  des soirĂ©es aux quilles et au pub, et mĂȘme faire une excursion aux chutes Niagara en autobus.

Le programme de l’USEQIP est financĂ© par l’IQC et l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT). Au cours des 14 derniĂšres annĂ©es, des personnes de 32 pays ont participĂ© au programme.

USEQIP students in the lab
USEQIP students playing ball hockey with IQC members
A USEQIP student at a lab bench connecting wires to a measurement apparatus

 

Commentaires des Ă©tudiants sur la quantique et l’USEQIP :

« C’est le meilleur moment pour ĂȘtre en quantique. C’est idĂ©al, puisque la thĂ©orie et l’expĂ©rimentation se dĂ©veloppent de plus et qu’il y a beaucoup d’investisseurs. C’est votre chance de marquer l’histoire et de faire quelque chose de rĂ©volutionnaire. » – Arnav Arora
« L’USEQIP est un programme formidable. La meilleure partie, selon moi, c’est le nombre impressionnant d’idĂ©es auxquelles j’ai Ă©tĂ© exposĂ©. L’accent est mis sur l’innovation. J’ai maintenant plus de ressources pour rĂ©flĂ©chir. » – Caleb Williams
« Si la quantique vous intĂ©resse, l’USEQIP est la meilleure façon d’en savoir plus sur le domaine. » – Dristhi Baruah
« Le rĂ©seautage et rencontrer des gens aux intĂ©rĂȘts similaires, voilĂ  ce que j’ai prĂ©fĂ©rĂ©. À l’USEQIP, il y a tellement de gens qui ont des intĂ©rĂȘts communs que nous donnons tous le meilleur de nous-mĂȘmes, de façon interdisciplinaire et collaborative. » – Elias Lehman
« J’aime qu’il y ait tellement de situations complexes Ă  explorer en quantique. J’adore la crĂ©ativitĂ© dont il faut faire preuve pour les rĂ©soudre. Je suis une personne crĂ©ative et j’aime des aspects plus rigoureux et scientifiques de la quantique. » – Emily Nobes
« J’ai dĂ©cidĂ© de venir Ă  l’USEQIP parce que je connais mal la quantique et que je dĂ©sirais en savoir plus. Les prĂ©sentations sont vraiment amusantes; ce sont des discussions ouvertes et les professeurs sont heureux de rĂ©pondre Ă  nos questions. » – Felix Belair

Designing new materials as platforms for robust quantum devices

Designing new materials as platforms for robust quantum devices

Thursday, May 25, 2023

En français


For researchers to successfully engineer future quantum computers, it will be important for them to use the right materials.

Dr. Jonathan Baugh, a professor at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Chemistry, is collaborating with researchers across campus to create new, high-quality materials with desirable properties for these future applications in quantum computing.

After several years of work, Baugh and his collaborators have found a method for growing crystalline structures using the semiconductor indium antimonide, which has been engineered with specific purposes in mind. This is an exciting first step towards building designer quantum devices.

The researchers have created an indium antimonide platform designed for a type of qubit known as a Majorana fermion. While still theoretical, these qubits are predicted to have better resilience to noise and decoherence compared with other types of qubits due to their unique physics. Majorana qubits are shielded from outside influences due to the way their information is encoded across highly non-local quantum states. This protection is an attractive property that could make future quantum computers less susceptible to errors. Indium antimonide has a unique combination of properties, including high electron mobility and strong spin-orbit coupling, that when combined with a superconductor, yield just the right conditions for Majorana fermions to appear.

“Theoretically, indium antimonide has the best set of ideal ingredients that are needed for Majorana qubits, from a semiconductor point of view,” said E. Annelise Bergeron, the first author of the study and a PhD candidate at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. “Our research is the first to overcome some of the difficulties that previous research did not achieve in terms of a platform to build these devices for Majorana qubits.”

Their work was a true collaboration across the University of Waterloo community. Baugh and Bergeron collaborated closely with Dr. Zbigniew Wasilewski, a professor in Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering and an IQC Affiliate, and his Molecular Beam Epitaxy Group from the Waterloo Institute for Nanotechnology to grow the crystalline indium antimonide; devices were fabricated in the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility (QNFCF); and the team used specialized test facilities at the Transformative Quantum Technologies (TQT) program with IQC.

Yingiu (Peyton) Shi, a research associate, and Ahmed Elbaroudy, a PhD candidate in Waterloo’s Department of Electrical and Computer Engineering and both members of Wasilewski’s research lab, grew wafer structures using a technique called molecular beam epitaxy, which grows crystals one atomic layer at a time. These structures containing thin layers of indium antimonide called quantum wells, which confine electrons to motion in a 2D plane, a configuration known as a 2D electron gas.

Bergeron took these wafers and fabricated quantum devices known as gated Hall bars on the surface, which are used to measure the properties of the 2D electron gas. Bergeron and the team then characterized these devices using very low temperatures and strong magnetic fields – a regime in which the Hall resistance takes on quantized values, known as the quantum Hall effect regime. Their findings show that high quality 2D electron gases can be achieved in indium antimonide, with properties that are very promising for future Majorana qubit devices.

After many iterations of growing wafers, fabricating devices, and performing measurements, the team of collaborators has finally found a method that results in reproducible quantum well structures, reliable fabrication methods, and high-quality 2D electron gases.

“Indium antimonide has been plagued with difficulties in the past, which is why no one else has been successful with this material yet,” says Bergeron. “So, the fact that we reported on two wafer growths and multiple devices from each of those growths indicates that we’ve achieved a successful method of crystal growth and fabrication reproducibility. All of that together is quite the accomplishment!”

Now that the team has successfully overcome the hurdles for growing and characterizing these 2D electron gases in indium antimonide, they are excited to use this platform as a starting point for future work.

“We’re hoping that our research is setting the stage for a really unique new platform on which to build more interesting quantum devices and probe whether we can detect Majorana fermions,” said Baugh. “We’re at the dawn of working with this new material to see where we can take it.”

Field effect two-dimensional electron gases in modulation-doped InSb surface quantum wells was published in Applied Physics Letters on January 4th, 2023. This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the TQT program at IQC.

 

Annelise Bergeron adjusting a piece of lab equipment

Learn more about this research on IQC's Quantum Today series

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Conception de nouveaux matériaux comme plateformes pour des dispositifs quantiques robustes

Pour garantir la réussite de la conception des futurs ordinateurs quantiques, les chercheurs doivent absolument choisir les matériaux appropriés.

Jonathan Baugh, professeur Ă  l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au DĂ©partement de chimie de l’UniversitĂ© de Waterloo, s’attelle Ă  crĂ©er de nouveaux matĂ©riaux de haute qualitĂ© aux propriĂ©tĂ©s recherchĂ©es pour les applications futures en informatique quantique.

AprĂšs plusieurs annĂ©es de recherche, M. Baugh et ses collaborateurs ont finalement dĂ©couvert une mĂ©thode permettant de faire croĂźtre des structures cristallines Ă  l’aide de l’antimoniure d’indium, un semi-conducteur spĂ©cifiquement conçu Ă  cet effet. Il s’agit d’une premiĂšre Ă©tape prometteuse dans la construction de dispositifs quantiques de conception.

L’équipe de recherche dirigĂ©e par M. Baugh a crĂ©Ă© une plateforme en antimoniure d’indium pour un type de qubit en particulier appelĂ© fermion de Majorana. Bien que toujours au stade thĂ©orique, ces qubits devraient offrir une meilleure rĂ©sistance au bruit et Ă  la dĂ©cohĂ©rence par rapport Ă  d’autres types de qubits, Ă©tant donnĂ© leurs caractĂ©ristiques physiques uniques. Les qubits de Majorana bĂ©nĂ©ficient d’une protection contre les influences extĂ©rieures grĂące Ă  la façon dont leurs informations sont encodĂ©es dans des Ă©tats quantiques hautement non locaux. Cette protection est une propriĂ©tĂ© intĂ©ressante qui pourrait rendre les futurs ordinateurs quantiques moins sensibles aux erreurs. L’antimoniure d’indium prĂ©sente une combinaison unique de propriĂ©tĂ©s, notamment une grande mobilitĂ© des Ă©lectrons et un fort couplage spin-orbite qui, lorsqu’il est couplĂ© Ă  un supraconducteur, crĂ©ent des conditions propices Ă  l’apparition de fermions de Majorana.

« Au plan thĂ©orique, l’antimoniure d’indium contient le meilleur ensemble d’ingrĂ©dients idĂ©aux nĂ©cessaires pour les qubits de Majorana, du point de vue des semi-conducteurs, explique E. Annelise Bergeron, premiĂšre auteure de l’étude et candidate au doctorat Ă  l’IQC et au DĂ©partement de physique et d’astronomie de l’UniversitĂ© de Waterloo. Notre Ă©tude est la premiĂšre Ă  surmonter certaines des difficultĂ©s qui ont entravĂ© les travaux antĂ©rieurs concernant la crĂ©ation de plateformes pour la construction de ces dispositifs destinĂ©s aux qubits de Majorana. »

Leur travail est le fruit d’une vĂ©ritable collaboration dans la communautĂ© de l’UniversitĂ© de Waterloo. M. Baugh et Mme Bergeron ont collaborĂ© avec le Groupe d’épitaxie par jet molĂ©culaire dirigĂ© par le professeur Zbigniew Wasilewski de l’Institut de nanotechnologie de Waterloo, ainsi qu’avec le DĂ©partement de gĂ©nie Ă©lectrique et informatique de l’UniversitĂ© Waterloo. Les dispositifs ont Ă©tĂ© fabriquĂ©s dans les ateliers de l’Installation de fabrication et caractĂ©risation nanomĂ©triques quantiques (QNFCF), et l’équipe a utilisĂ© des installations d’essai spĂ©cialisĂ©es dans le cadre du programme Transformative Quantum Technologies (TQT) de l’IQC.

Au moyen d’un procĂ©dĂ© appelĂ© Ă©pitaxie par jet molĂ©culaire, l’équipe de M. Wasilewski a produit des structures de tranches contenant de fines couches d’antimoniure d’indium appelĂ©es puits quantiques. Ces derniers contiennent des Ă©lectrons confinĂ©s dans un plan 2D, une configuration connue sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnel. Avec ces tranches, Mme Bergeron a fabriquĂ© des dispositifs quantiques connus sous le nom de barres de Hall avec grille sur la surface, lesquels sont utilisĂ©s pour mesurer les propriĂ©tĂ©s du gaz d’électrons bidimensionnel. Ensuite, Mme Bergeron et son Ă©quipe ont caractĂ©risĂ© ces dispositifs en utilisant de trĂšs basses tempĂ©ratures et des champs magnĂ©tiques puissants, ce qui correspond Ă  un rĂ©gime oĂč la rĂ©sistance de Hall adopte des valeurs quantifiĂ©es, connu sous le nom de rĂ©gime d’effet Hall quantique. Leurs rĂ©sultats dĂ©montrent la possibilitĂ© d’obtenir des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualitĂ© dans l’antimoniure d’indium, prĂ©sentant des propriĂ©tĂ©s trĂšs prometteuses pour les futurs dispositifs de qubits de Majorana.

AprĂšs de nombreuses itĂ©rations de croissance de tranches, de fabrication de dispositifs et de mesures, l’équipe de collaborateurs a enfin trouvĂ© une mĂ©thode permettant d’obtenir de maniĂšre reproductible des structures de puits quantiques, des techniques de fabrication fiables ainsi que des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualitĂ©.

« En raison des difficultĂ©s rencontrĂ©es par le passĂ©, personne d’autre n’a encore rĂ©ussi Ă  travailler avec l’antimoniure d’indium, explique Mme Bergeron. Le fait que nous ayons rapportĂ© deux croissances de tranches et plusieurs dispositifs issus de chacune de ces croissances tĂ©moigne de notre rĂ©ussite Ă  mettre au point une mĂ©thode efficace de croissance des cristaux et de fabrication reproductible. Le cumul de ces Ă©lĂ©ments, c’est tout un succĂšs! »

Maintenant que l’équipe a rĂ©ussi Ă  surmonter les obstacles liĂ©s Ă  la croissance et Ă  la caractĂ©risation de ces gaz d’électrons bidimensionnels dans l’antimoniure d’indium, elle est enthousiaste Ă  l’idĂ©e d’utiliser cette plateforme comme point de dĂ©part pour de futures recherches.

« Nous espĂ©rons que nos recherches ouvriront la voie Ă  une nouvelle plateforme vraiment unique sur laquelle nous pourrons construire des dispositifs quantiques plus intĂ©ressants et dĂ©terminer si nous pouvons dĂ©tecter les fermions de Majorana, a dĂ©clarĂ© M. Baugh. Nous sommes sur le point de commencer Ă  travailler avec ce nouveau matĂ©riau pour dĂ©couvrir jusqu’oĂč nous pouvons le mener. »

L’étude « Field effect two-dimensional electron gases in modulation-doped InSb surface quantum wells » a Ă©tĂ© publiĂ©e dans le journal Applied Physics Letters le 4 janvier 2023 et financĂ©e en partie par le Fonds d’excellence en recherche ApogĂ©e Canada, par le biais du programme TQT de l’IQC.

 

Annelise Bergeron adjusting a piece of lab equipment

Pour en savoir plus sur cette Ă©tude, consultez la sĂ©rie Quantum Today de l’IQC

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Connecting Canada’s quantum networks

Connecting Canada’s quantum networks

Tuesday, May 23, 2023

“Canada is too small to not have our quantum ecosystem working better together,” said Nipun Vats, Assistant Deputy Minister, Science and Research Sector, Innovation, Science and Economic Development Canada (ISED), during his opening keynote address of the Institute for Quantum Computing's (IQC) first national networking conference, Quantum Connections, touching on the challenges and future of quantum information in Canada.

Sponsored by IBM Quantum, Xanadu, and Gowling WLG, the inaugural networking conference brought together over 150 quantum professionals from government, industry and academic sectors to foster collaborations and create connections over two days. The conference’s goal was to encourage the thriving quantum ecosystem that Vats, Norbert LĂŒtkenhaus, IQC’s Executive Director, and many other leaders in quantum information envision to ensure Canada sustains our quantum excellence within the growing global landscape.

Quantum Connections attendees critically examined the challenges we face as a country within the landscape of quantum and had proactive conversations considering Canada’s quantum future. Quantum Connections will be held as an annual event and is expected to grow and evolve with the changing landscape of Canadian quantum innovation.

Nipun Vats virtually delivering his keynote address
Sonia Sennick delivering their Quantum Connections keynote address

Highlights of this year’s conference included the keynote addresses from Dr. Nipun Vats on May 3, focusing on the challenges of quantum in Canada, and Sonia Sennik on May 4 considering the future of quantum in Canada.

“Canada has been at the forefront of creating and supporting the commercialization of quantum ventures,” said Sonia Sennik during their keynote address. Sennik is the Executive Director of Creative Destruction Lab (CDL), a seed-stage program for massively scalable, science-based companies. During the keynote, Sennik discussed CDL’s quantum-stream and its approaches to empowering individuals to move research from labs and into commercialization spaces.

“The expense of building quantum hardware, coupled with the steady improvement of classical computers means that commercial relevance of quantum computing won’t be apparent unless researchers and investors shift their focus from the quantum advantage, to pursue what we call ‘the quantum economic advantage’.”

Save the date for Quantum Connections 2024 – May 1 to 2. Stay tuned for more details.

 

To read more about the conference, see the full story, Connecting Canada's Quantum Networks, on Waterloo News.

To learn more about Quantum Connections, visit the conference website.

 

 

Raccordement des réseaux quantiques au Canada

La toute premiĂšre confĂ©rence Quantum Connections promeut le maintien de l’excellence en quantique Ă  Waterloo et au Canada

« Le Canada ne peut pas se permettre de ne pas encourager les intervenants de son Ă©cosystĂšme quantique Ă  collaborer », a dĂ©clarĂ© Nipun Vats, sous-ministre adjoint, Secteur des sciences et de la recherche, Innovation, Sciences et DĂ©veloppement Ă©conomique Canada (ISDE), au cours du discours d’ouverture qu’il a prononcĂ© Ă  la premiĂšre confĂ©rence nationale de rĂ©seautage de l’Institut d’informatique quantique's (IQC), Quantum Connections, sur les dĂ©fis liĂ©s Ă  l’information quantique et Ă  son avenir au Canada

Cette confĂ©rence de rĂ©seautage, commanditĂ©e par IBM Quantum, Xanadu et le cabinet Gowling WLG, a rassemblĂ© plus de 150 experts en informatique quantique des secteurs public et privĂ© et du milieu universitaire. Sur une pĂ©riode de deux jours, elle visait Ă  les amener Ă  renforcer leur collaboration et Ă  dĂ©velopper leur rĂ©seau de relations. Elle avait pour objectif de stimuler l’essor de l’écosystĂšme quantique qu’envisagent Nipun Vats, le directeur gĂ©nĂ©ral de l’IQC Norbert LĂŒtkenhaus et bien d’autres grands spĂ©cialistes de l’information quantique afin que le Canada maintienne son excellence en quantique Ă  l’échelle internationale dans un domaine en plein envol.

Nipun Vats virtually delivering his keynote address

Les participants ont dĂ©battu des enjeux auxquels notre pays est confrontĂ© dans cette perspective et ils ont discutĂ©, de façon proactive, de l’avenir de la filiĂšre quantique au Canada. La confĂ©rence Quantum Connections se tiendra chaque annĂ©e, et devrait Ă©voluer avec la rĂ©alitĂ© changeante de l’innovation dans le domaine au Canada.

Sonia Sennick delivering their Quantum Connections keynote address

Voici quelques-uns des moments forts de cette annĂ©e : le discours d’ouverture prononcĂ© par Nipun Vats, Ph. D., le 3 mai, sur les dĂ©fis du secteur quantique au Canada, ainsi que la prĂ©sentation de Sonia Sennik, le 4 mai, sur l’avenir de l’industrie quantique au pays.

« Le Canada est Ă  l’avant-garde : il crĂ©e des entreprises dans l’industrie quantique et soutient la commercialisation de leurs produits et services », a dĂ©clarĂ© Sonia Sennik au cours de son discours d’ouverture. Mme Sennik est la directrice gĂ©nĂ©rale de Creative Destruction Lab (CDL), un programme d’amorçage s’adressant Ă  des entreprises scientifiques ayant une forte capacitĂ© d’évolution. Dans son discours d’ouverture, elle a prĂ©sentĂ© le champ de travail du CDL et les mĂ©thodes employĂ©es pour donner aux gens les moyens de mettre en application les rĂ©sultats de la recherche dans des espaces de commercialisation.

« En raison des dĂ©penses engagĂ©es dans la fabrication d’équipements quantiques, conjuguĂ©es Ă  l’amĂ©lioration continue des ordinateurs conventionnels, la valeur commerciale de l’informatique quantique ne ressortira pas tant et aussi longtemps que les chercheurs et les investisseurs ne s’intĂ©resseront plus simplement Ă  l’avantage de la quantique, mais plus prĂ©cisĂ©ment Ă  son “avantage Ă©conomique”. »

Les conférenciers, dont JérÎme Bourassa, Ph. D. (Qubic), Vlad Gheorghiu, Ph. D. (softwareQ), Sarah McCarthy, Ph. D. (evolutionQ) et Jordan Smith (Quantized Technologies Inc.), ont fait un survol du paysage des entreprises en démarrage de la filiÚre quantique.

C’était l’occasion idĂ©ale, pour les participants, de dĂ©velopper leur rĂ©seau de relations professionnelles et de se rencontrer, notamment Ă  l’activitĂ© de rĂ©seautage au bar-salon The Lokal dans le centre-ville de Kitchener.

Nous avons passĂ© un bon moment hier soir Ă  l’activitĂ© de rĂ©seautage de la confĂ©rence Quantum Connections!

Merci @XanaduAI, qui a commanditĂ© l’activitĂ© de rĂ©seautage et l’a rendue possible. C’est fantastique d’assister Ă  la naissance de relations professionnelles entre experts dans la communautĂ© canadienne #quantique.

Au cours de la confĂ©rence, on a abordĂ© toutes sortes de sujets et de points de vue, notamment la mise en place de programmes de formation universitaire et le dĂ©veloppement chez la main-d’Ɠuvre des compĂ©tences nĂ©cessaires pour faire progresser le secteur quantique et ainsi dĂ©velopper les technologies associĂ©es en vue de les commercialiser et de leur faire une place sur les marchĂ©s, et pour Ă©tablir et atteindre les objectifs nationaux dans une perspective d’innovation.

Au cours des discussions, les participants sont revenus souvent sur les changements apportĂ©s Ă  la StratĂ©gie quantique nationale (SQN) et sur son orientation en abordant l’avenir de l’innovation en quantique. L’orientation de la SQN a fait l’objet d’un long dĂ©bat au coin du feu entre Iain Klugman et Raymond Laflamme, Ph. D., coprĂ©sident du conseil consultatif sur la SQN. MM. Klugman et Laflamme ont discutĂ© de leur expĂ©rience relative Ă  la rĂ©daction et au lancement de stratĂ©gies nationales et de la façon de s’y prendre pour transformer les mots couchĂ©s sur le papier pour dĂ©crire la SQN du Canada, en mesures efficaces et en rĂ©sultats. « Il est primordial de partir du bon pied, » a dĂ©clarĂ© M. Klugman. « Il faut nous percevoir comme une communautĂ©, dans le cadre d’une initiative nationale. Nous remarquons que les situations dans lesquelles le Canada a obtenu du succĂšs par le passĂ© sont celles oĂč nous avons pris conscience de l’importance de faire front commun face au monde. »

Quantum Connections Panel

« Pour promouvoir l’innovation, il faut un Ă©cosystĂšme. Il faut un parcours interconnectĂ© entre le laboratoire et l’utilisation finale, » a dĂ©clarĂ© Megan Lee, Ph. D., au cours d’une table ronde sur l’attraction de talents dans l’industrie quantique. Mme Lee et ses collĂšgues invitĂ©s, Rafal Janik, Olivia Lanes, Ph. D. et Pooya Ronagh, Ph. D. se sont penchĂ©s sur les changements survenus dans l’industrie quantique et ont prĂ©sentĂ© toutes sortes de solutions visant Ă  attirer une nouvelle gĂ©nĂ©ration d’employĂ©s qualifiĂ©s.

Au cours de la derniĂšre table ronde, Ă  laquelle ont participĂ© le vice-prĂ©sident de la sociĂ©tĂ© Certicom affiliĂ©e Ă  BlackBerry, Jim Alfred, Aimee Gunther, Ph. D., sous-directrice du Programme DĂ©fi « Internet des objets : capteurs quantiques » du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) ainsi que Michele Mosca, Ph. D., de l’IQC ont expliquĂ© la place privilĂ©giĂ©e qu’occupent les sociĂ©tĂ©s canadiennes dans l’avenir de la quantique et la façon d’amener les entreprises d’ailleurs Ă  utiliser les technologies quantiques canadiennes dans la perspective d’un avenir prometteur, axĂ© sur l’innovation. « Nous devons concilier nos efforts pour rĂ©gler les problĂšmes liĂ©s Ă  l’adoption des derniĂšres innovations », a dĂ©clarĂ© Mme Aimee Gunther, dans ses propos sur l’incidence possible de la quantique au Canada. « Nous ne devons pas perdre de vue l’avenir, sans quoi l’enthousiasme risque de refroidir au Canada alors qu’il s’enflamme ailleurs, et nous aurons beaucoup de mal Ă  suivre. »

Et l’IQC a vraiment l’intention de ne pas laisser cet enthousiasme s’éteindre. Compte tenu du succĂšs remarquable de la confĂ©rence Quantum Connections 2023, l’IQC a hĂąte d’organiser la confĂ©rence de l’annĂ©e prochaine en vue de rassembler encore une fois les experts de l’industrie quantique au Canada.

« Quantum Connections s’apprĂȘte Ă  devenir l’évĂ©nement phare de la quantique au Canada », a dĂ©clarĂ© Alexandre Choquette, responsable du secteur quantique Ă  IBM Quantum, le principal commanditaire de la confĂ©rence.

À Waterloo, le reprĂ©sentant d’@IBM Quantum prononce le discours d’ouverture de la confĂ©rence #QuantumConnections Ă  @QuantumIQC!

Commentaires des participants à la conférence Quantum Connections 2023:

« Merci d’avoir organisĂ© cette confĂ©rence! Quelle belle occasion de rencontrer des collĂšgues du milieu universitaire, du secteur public et de l’industrie. »

« Vous avez fait un travail remarquable, continuez. On se revoit l’an prochain! Rien n’a Ă©tĂ© laissĂ© au hasard! Cette confĂ©rence va prendre de l’essor, c’est certain. »

« C’est la confĂ©rence la mieux organisĂ©e Ă  laquelle j’ai assistĂ©. »

« Vous avez fait un travail remarquable : excellent contenu, espace bien aménagé pour les discussions et les rencontres. »

« Dans l’ensemble, l’évĂ©nement Ă©tait bien organisĂ©, et tout s’est bien dĂ©roulĂ©. J’ai appris, et l’information m’est utile surtout parce que la discussion Ă©tait axĂ©e sur les possibilitĂ©s de commercialisation et la force du Canada. Les repas Ă©taient dĂ©licieux (les meilleurs plats et les boissons les plus dĂ©licieuses que j’ai jamais consommĂ©s dans un congrĂšs). »

 

RĂ©servez votre date pour Quantum Connections 2024 (1er et 2 mai). Demeurez Ă  l’affĂ»t!

IQC celebrates women in mathematics

8 September 2023 at 14:29

IQC celebrates women in mathematics

Friday, May 12, 2023
International Women in Mathematics Day

Today, on May 12th, the Institute for Quantum Computing (IQC) is joining the world-wide mathematical community in celebrating women in mathematics. Why May 12th? This is the birthdate of the late Maryam Mirzakhani – the first woman to be awarded the Fields Medal, a prestigious award for mathematics, for her outstanding contributions to the field.  

In our community of mathematicians, scientists, and engineers, we feel it is especially important to continue to strive toward supporting and encouraging equity, diversity, and inclusivity. On this day of recognition, IQC is featuring some of the highly accomplished women in our community to share their experience, achievements, and advice for the next generation of women in math. 

 

Spotlight on IQC's women in mathematics

Dr. Debbie Leung

Debbie Leung 

Faculty, IQC 
Professor, Combinatorics and Optimization, University of Waterloo 


1. How did you get your start in mathematics and what is your educational background? What do you like most about mathematics?  
 
By accident, I had an opposite school schedule than my four siblings. Without many toys, internet, nor company, the textbooks from my older siblings (especially those with mathematics problems and atlases) were major sources of entertainment in my alone time. Later, I got into DIY optics, stargazing and then cosmology, so I took undergraduate majors of mathematics and physics as preparations. That turned out very helpful when I switched into quantum information in my early months in graduate school.  

I received undergraduate degrees in mathematics and in physics from Caltech, then earned my MSc and PhD in physics from Stanford University. 

I am obsessed with finding out whether something is true or not, and in mathematics there is the additional thrill of proving so. 

2. What is your current role and research area at IQC? Are there any accomplishments that you would like to highlight?  

I am a faculty member at IQC and a full professor in the Department of Combinatorics and Optimization at the University of Waterloo. I specialized in the theory of quantum communications and quantum information, which is concerned with the properties of quantum data and how best to transmit them. 

Recently, my collaborators and I found special quantum error correcting codes using novel quantum effects to communicate at a higher rate unattainable otherwise. 
 
3. What is your experience as a woman in mathematics and what advice would you give to women who are interested in pursuing a future in this field? 

My experience has been mostly gender unspecific. It would have been nice to see more women in my field, but most researchers were kind and supportive to me. 
 
A researcher and their research are in a special relationship that is no one else's business. Given this distance, it is easier to benefit from mentoring or peer influence, but with less risk of being overwhelmed or discouraged. 

 

 Sara Zafar Jafarzadeh

Sara Zafar Jafarzadeh 

Postdoctoral Fellow, IQC 
Combinatorics and Optimization, University of Waterloo 


1. What is your educational background and how did you get your start in mathematics? What is your experience as a woman in this field? 

Protecting the privacy and safety of our digital communication became a priority for me during my master’s studies in machine learning and AI. That's when I decided to pursue cryptography. I have earned a PhD in computer science from UniversitĂ© de MontrĂ©al, during which I worked on quantum cryptography with Dr. Gilles Brassard and Dr. Louis Salvail. 

I am delighted by how we, as academics, are encouraging girls and young women to enjoy mathematics and consider pursuing math as a career. I think we should continue to do that in academia and in our everyday lives. 

2. What is your current role and research area at IQC? Are there any accomplishments that you would like to highlight?  

I am a post-doctoral fellow under the supervision of Dr. Michele Mosca. My main research area is quantum safe cryptography. 

I am passionate about the applications of mathematics to cryptography and quantum computing, and I love teaching! I enjoy disseminating my knowledge to general audiences and have participated in many of IQC’s outreach activities. At the 2022 Quantum Key Distribution (QKD) Summer School for graduate students and young postdoctoral fellows, I gave a lecture on information theoretic security.  

Additionally, I co-instructed the introduction to quantum information processing, an undergraduate level course offered at the University of Waterloo to students in mathematics, computer science, and computer engineering programs. I have also been invited to give talks and presentations to leading cryptography conferences 

3. What is it that you like about mathematics the most and what advice would you give to women who are interested in pursuing a future in this field? 

Mathematics is the universal language used to describe everything – from the core laws of physics to how we manage our financial assets. I love its plethora of applications and how mathematics plays a crucial role in modern cryptography. 

My advice to the future generation is “don't overthink it.” You don't need to be top of your class to pursue a career/education in STEM. Mathematics is gender neutral. Women can pursue a career in mathematics with different levels of mathematical understanding and are no way different from male mathematicians. 

 

Kelly Wurtz

Kelly Wurtz 

PhD Student, IQC 
Applied Math, University of Waterloo 


1. What is your educational background and how did you get your start in mathematics? What is your experience as a woman in this field?  

I went to my undergraduate university to study film. While there, I started taking physics classes out of interest, and liked them so much I ended up getting a second major in physics. By the end, I was so in love with physics that I put film behind me and started figuring out what I had to do to get a PhD. I was most drawn to the mathematical, fundamental aspects of physics, and that’s what drew me to theoretical physics and landed me in the Department of Applied Mathematics PhD program at the University of Waterloo. As for my experience as a woman in this field, while I find women are very much underrepresented in my research areas, I have always felt I am treated as an equal by my peers here.  

2. What is your current role and research area at IQC? Are there any accomplishments that you would like to highlight?  

I’m currently a second-year PhD student doing research in relativistic quantum information. My first PhD paper was accepted for publication a few weeks ago! It looks at the entanglement structure of the vacuum state of a quantum field. 

3. What is it that you like about mathematics the most and what advice would you give to women who are interested in pursuing a future in this field?  

In physics, mathematics provides a unique lens into the universe. Many scientific discoveries were predicted purely based on mathematics decades before we gained direct physical evidence for them. While theories must still be confirmed by experiment, it’s amazing that math alone enables us to push the frontiers of knowledge about the world we live in.  

To women interested in pursuing a future in this field, I would say to expect self-doubt, expect doubt from others, and to expect these things to often be more challenging than the mathematics itself. But know that anyone who has passion and puts in the time and focus has the potential to contribute something to the field of mathematics. 

 

Jennifer Zhu

Jennifer Zhu 

PhD Student, IQC 
Pure Math, University of Waterloo 


1. What is your educational background and how did you get your start in mathematics? What is your experience as a woman in this field?  

I received my bachelor’s degree in mathematics from UC Berkeley in 2018. To be frank – I did not like math enough to consider it as a vocation until I took my first real analysis course. This was the first class in which I felt the problems were puzzles on which I could dwell all day, rather than computations made to achieve an end. I chased that feeling into graduate school, first starting my PhD at Texas A&M University in 2019, then transferring to the University of Waterloo in 2021 with my advisor.  

I have met the most compassionate and steadfast people through mathematics, but I still hear sexist remarks and see how old traditions do not work for — or outright harm — those who do not conform to normative gender roles. I am grateful for all the people before me who have done work combatting these issues. 

2. What is your current role and research area at IQC? Are there any accomplishments that you would like to highlight?  

My connection to the IQC is through their interdisciplinary graduate program. My home department is the Department of Pure Mathematics, and my interests are in the intersection of operator algebras and quantum information theory.  

The Operator Algebras Mentor Network is an organization that is devoted to advocating for and supporting operator algebraists who have faced or may face negative bias due to gender identity or expression — this includes women, non-binary people, and transgender people. I have been a member of its Board of Directors for the past year, and it has become an organization dear to my heart. 

3. What is it that you like most about mathematics and what advice would you give to women who are interested in pursuing a future in this field?  

There is great joy in the mutual understanding mathematicians reach after long discussions. This, to me, is fundamentally what mathematics is — understanding and being understood. (William P. Thurston explains this much more eloquently than I can in his essay “On Proof and Progress in Mathematics.”) I regret having worked in solitude as much I did in undergrad. Despite the unchecked egos that run rampant in mathematical social circles, I think it is worth putting forth some effort in finding people with whom you can do mathematics together. 

 

L’IQC cĂ©lĂšbre la prĂ©sence des femmes en mathĂ©matiques

International Women in Mathematics Day

Journée internationale des femmes en mathématiques

 

En ce 12 mai, l’Institut d’informatique quantique (IQC) emboĂźte le pas Ă  la grande famille mondiale des mathĂ©matiques pour cĂ©lĂ©brer ses reprĂ©sentantes fĂ©minines. La date choisie est celle de l’anniversaire de la regrettĂ©e Maryam Mirzakhani, premiĂšre femme rĂ©cipiendaire de la mĂ©daille Fields, une prestigieuse rĂ©compense en mathĂ©matiques qui souligne les contributions exceptionnelles dans le domaine.

Dans le milieu des mathĂ©matiques, des sciences et du gĂ©nie, nous croyons qu’il est particuliĂšrement important de poursuivre nos efforts pour favoriser l’équitĂ©, la diversitĂ© et l’inclusion. En ce jour de reconnaissance, l’IQC prĂ©sente quelques femmes de notre communautĂ© Ă  la feuille de route impressionnante qui racontent leurs expĂ©riences et leurs rĂ©ussites et donnent des conseils Ă  la relĂšve fĂ©minine en mathĂ©matiques.

 

Pleins feux sur les mathĂ©maticiennes de l’IQC

Dr. Debbie Leung

Debbie Leung

Professeure, IQC
Professeure, DĂ©partement de combinatoire et d’optimisation, UniversitĂ© de Waterloo


1. Parlez-nous de vos débuts en mathématiques et de votre parcours scolaire. Quel est votre aspect préféré des mathématiques?
 
Enfant, mon horaire scolaire Ă©tait, par pur hasard, complĂštement diffĂ©rent de celui du reste de la maisonnĂ©e. Seule, sans trop de jouets (c’était avant l’avĂšnement d’Internet), les manuels d’école de mes aĂźnĂ©s (surtout ceux qui regorgeaient de problĂšmes de mathĂ©matiques et les atlas) Ă©taient mes principales sources de divertissement. Plus tard, passionnĂ©e par le bricolage de dispositifs d’optique, par l’observation des Ă©toiles, puis par la cosmologie, j’ai choisi des majeures de premier cycle en mathĂ©matiques et en physique pour me prĂ©parer. Un choix qui s’est avĂ©rĂ© judicieux lorsque j’ai dĂ©cidĂ© de me rĂ©orienter en information quantique dans les premiers mois de mon parcours aux Ă©tudes supĂ©rieures.

J’ai dĂ©crochĂ© des diplĂŽmes de premier cycle en mathĂ©matiques et en physique de Caltech, puis j’ai obtenu une maĂźtrise et un doctorat de l’UniversitĂ© Stanford.

Je suis animée par une soif de vérité, et les mathématiques viennent satisfaire cet aspect de ma personnalité.

2. Quels sont votre rĂŽle et votre domaine de recherche Ă  l’IQC? Avez-vous des rĂ©ussites prĂ©cises Ă  souligner?

Je suis membre du corps professoral de l’IQC et professeure titulaire au DĂ©partement de combinatoire et d’optimisation de l’UniversitĂ© de Waterloo. Je me spĂ©cialise dans la thĂ©orie de la communication quantique et de l’information quantique, qui portent sur les propriĂ©tĂ©s des donnĂ©es quantiques et les meilleurs vecteurs de diffusion.

DerniÚrement, mes collÚgues et moi avons découvert des codes de correction quantiques spéciaux utilisant des effets novateurs pour communiquer à une vitesse inédite.
 
3. Décrivez votre expérience en tant que femme dans les mathématiques. Quel conseil donneriez-vous à une collÚgue désireuse de se frayer un chemin dans le domaine?

Mon expĂ©rience a peu Ă  voir avec mon statut de femme. J’aurais bien aimĂ© avoir plus de collĂšgues fĂ©minines, mais la plupart des chercheurs se sont montrĂ©s gentils et encourageants avec moi.
 
Le chercheur entretient une relation unique avec ses travaux qui ne concerne personne d’autre. Cette distance facilite le travail du mentor ou l’influence des pairs, tout en rĂ©duisant les risques de surmenage ou de dĂ©couragement.

 

 Sara Zafar Jafarzadeh

Sara Zafar Jafarzadeh

Stagiaire postdoctorale, IQC
DĂ©partement de combinatoire et d’optimisation, UniversitĂ© de Waterloo


1. Parlez-nous de votre parcours scolaire et de vos débuts en mathématiques. Quelle a été votre expérience en tant que femme dans le domaine?

Pendant ma maĂźtrise en apprentissage machine et en IA, j’ai fait de la protection de la vie privĂ©e et de la sĂ©curisation des communications numĂ©riques mes chevaux de bataille. C’est Ă  ce moment que j’ai choisi de me diriger vers la cryptographie. J’ai dĂ©crochĂ© un doctorat en informatique de l’UniversitĂ© de MontrĂ©al, au cours duquel j’ai travaillĂ© sur la cryptographie quantique avec les professeurs Gilles Brassard et Louis Salvail.

Je suis ravie de constater qu’en tant qu’universitaires, nous encourageons les filles et les jeunes femmes Ă  aimer les mathĂ©matiques et Ă  envisager d’en faire une carriĂšre. Je pense que c’est une aspiration qu’il faut poursuivre, dans le monde universitaire et au quotidien.

2. Quels sont votre rĂŽle et votre domaine de recherche Ă  l’IQC? Avez-vous des rĂ©ussites prĂ©cises Ă  souligner?

Je fais un postdoctorat dirigé par le professeur Michele Mosca. Mon principal domaine de recherche est la cryptographie quantique sécurisée.

J’ai une passion pour l’application des mathĂ©matiques Ă  la cryptographie et Ă  l’informatique quantique, et j’adore enseigner! J’aime transmettre mon savoir au grand public et j’ai participĂ© Ă  bon nombre des activitĂ©s de vulgarisation de l’IQC. En 2022, Ă  l’école d’étĂ© sur la distribution quantique de clĂ©s (DQC) pour les Ă©tudiants aux cycles supĂ©rieurs et les jeunes stagiaires postdoctoraux, j’ai donnĂ© une confĂ©rence sur la sĂ©curitĂ© inconditionnelle.

J’ai aussi donnĂ© conjointement un cours d’introduction au traitement de l’information quantique, offert aux Ă©tudiants de premier cycle des programmes de mathĂ©matiques, d’informatique et de gĂ©nie informatique de l’UniversitĂ© de Waterloo. J’ai Ă©galement Ă©tĂ© invitĂ©e Ă  donner des exposĂ©s et des prĂ©sentations dans des confĂ©rences renommĂ©es sur la cryptographie.

3. Quel est votre aspect préféré des mathématiques? Quel conseil donneriez-vous à une femme désireuse de se frayer un chemin dans le domaine?

Les mathĂ©matiques, c’est un langage universel qui sert Ă  dĂ©crire tout ce qui nous entoure, des lois fondamentales de la physique Ă  la gestion financiĂšre. J’aime le fait que les mathĂ©matiques aient tant d’applications, et leur rĂŽle crucial dans la cryptographie moderne.

Mon conseil aux prochaines gĂ©nĂ©rations? Ne vous perdez pas en rĂ©flexions. Pas besoin d’ĂȘtre une premiĂšre de classe pour entreprendre une carriĂšre ou des Ă©tudes dans les STIM. Les mathĂ©matiques, ce n’est pas genrĂ©. Des femmes aux connaissances variĂ©es dans le domaine peuvent embrasser une carriĂšre en mathĂ©matiques; elles ne sont pas diffĂ©rentes de leurs collĂšgues masculins.

 

Kelly Wurtz

Kelly Wurtz 

Étudiante au doctorat, IQC
Département de mathématiques appliquées, Université de Waterloo


1. Parlez-nous de vos débuts en mathématiques et de votre parcours scolaire. Décrivez votre expérience en tant que femme dans le domaine.

J’ai commencĂ© mes Ă©tudes universitaires en cinĂ©ma, puis je me suis mise Ă  suivre des cours de physique pour le plaisir. De fil en aiguille, je me suis pris au jeu j’ai fini par me lancer dans une deuxiĂšme majeure en physique. Je suis devenue tellement passionnĂ©e que j’ai laissĂ© tomber le cinĂ©ma pour me diriger vers un doctorat en physique. AttirĂ©e par les aspects mathĂ©matiques et fondamentaux de la physique avant tout, je me suis tournĂ©e vers la physique thĂ©orique et j’ai atterri au programme de doctorat du DĂ©partement de mathĂ©matiques appliquĂ©es de l’UniversitĂ© de Waterloo. Pour ce qui est de mon expĂ©rience en tant que femme dans le domaine, mĂȘme si je constate que mes collĂšgues fĂ©minines sont grandement sous-reprĂ©sentĂ©es, je n’ai jamais eu l’impression d’ĂȘtre traitĂ©e diffĂ©remment.

2. Quels sont votre rĂŽle et votre domaine de recherche Ă  l’IQC? Avez-vous des rĂ©ussites prĂ©cises Ă  souligner?

J’en suis Ă  ma deuxiĂšme annĂ©e de doctorat et je fais de la recherche sur l’information quantique relativiste. Mon premier article de doctorat vient de recevoir le feu vert pour la publication il y a quelques semaines! Il porte sur la structure d’intrication d’un vide compris dans un champ quantique.

3. Quel est votre aspect préféré des mathématiques? Quel conseil donneriez-vous à une femme désireuse de se frayer un chemin dans le domaine?

En physique, les mathĂ©matiques donnent une vision unique de l’univers. De nombreuses dĂ©couvertes scientifiques ont Ă©tĂ© prĂ©dites en se basant purement sur les mathĂ©matiques des dĂ©cennies avant l’obtention de preuves tangibles directes. Si les thĂ©ories doivent encore ĂȘtre confirmĂ©es par l’expĂ©rience, c’est incroyable de voir comment les mathĂ©matiques sont capables de repousser par elles-mĂȘmes les frontiĂšres des connaissances sur le monde dans lequel nous vivons.

Aux femmes souhaitant entreprendre une carriĂšre dans le domaine : attendez-vous Ă  douter de vous-mĂȘmes et Ă  ce que les autres doutent de vous, et ne vous surprenez pas si ces doutes vous donnent plus de fil Ă  retordre que les mathĂ©matiques mĂȘmes. Mais il faut se rappeler que quiconque est passionnĂ©, et met le temps et les efforts a le potentiel d’apporter sa pierre Ă  l’édifice des mathĂ©matiques.

 

Jennifer Zhu

Jennifer Zhu 

Étudiante au doctorat, IQC
Département de mathématiques pures, Université de Waterloo


1. Parlez-nous de vos débuts en mathématiques et de votre parcours scolaire. Décrivez votre expérience en tant que femme dans le domaine.

J’ai obtenu mon baccalaurĂ©at en mathĂ©matiques de l’UniversitĂ© de Californie Ă  Berkeley en 2018. Pour ĂȘtre honnĂȘte, ce n’est pas avant mon premier cours d’analyse rĂ©elle que j’ai eu assez la bosse des mathĂ©matiques pour envisager d’en faire une carriĂšre. C’est le premier cours oĂč j’ai eu l’impression que les problĂšmes Ă©taient des casse-tĂȘtes auxquels j’aurais pu m’attarder toute la journĂ©e, et non des calculs au but prĂ©cis. DĂ©sireuse de retrouver cette flamme pendant mes Ă©tudes de deuxiĂšme cycle, j’ai commencĂ© mon doctorat Ă  l’UniversitĂ© A&M du Texas en 2019, avant de faire le saut Ă  l’UniversitĂ© de Waterloo en 2021 avec la personne qui me conseillait.

J’ai rencontrĂ© des gens absolument empathiques et inĂ©branlables en mathĂ©matiques, mais j’entends encore des remarques sexistes et je remarque que les anciennes traditions peuvent entrer en conflit avec les personnes qui ne se conforment pas aux rĂŽles normatifs de genre, et mĂȘme leur nuire. Je suis reconnaissante Ă  toutes les personnes qui nous ont ouvert le chemin.

2. Quels sont votre rĂŽle et votre domaine de recherche Ă  l’IQC? Avez-vous des rĂ©ussites prĂ©cises Ă  souligner?

Mon lien avec l’IQC est dans le cadre de mon programme de cycle supĂ©rieur interdisciplinaire. Je suis rattachĂ©e au DĂ©partement de mathĂ©matiques pures, et mes intĂ©rĂȘts sont au croisement de l’algĂšbre d’opĂ©rateurs et de la thĂ©orie de l’information quantique.

Le rĂ©seau de mentorat en algĂšbre d’opĂ©rateurs est une organisation qui se consacre Ă  la dĂ©fense et au soutien des algĂ©bristes d’opĂ©rateurs qui ont vĂ©cu ou qui vivent des prĂ©jugĂ©s en raison de leur identitĂ© ou de leur expression de genre (femmes, personnes non binaires, personnes transgenres). J’ai siĂ©gĂ© au conseil d’administration de cette organisation dans la derniĂšre annĂ©e et elle occupe une place spĂ©ciale dans mon cƓur.

3. Qu’aimez-vous le plus des mathĂ©matiques et quel conseil donneriez-vous Ă  une femme dĂ©sireuse de se frayer un chemin dans ce domaine?

Une grande joie rĂ©side dans la comprĂ©hension mutuelle qu’atteignent les mathĂ©maticiens aprĂšs de longues discussions. Comprendre et ĂȘtre comprise : voilĂ  pour moi une composante fondamentale des mathĂ©matiques. (William P. Thurston l’explique de maniĂšre bien plus Ă©loquente que moi dans son essai On Proof and Progress in Mathematics.) Je regrette d’avoir travaillĂ© autant en solitaire pendant mes Ă©tudes de premier cycle. MalgrĂ© le rĂšgne des gros ego dans le milieu, je pense qu’il vaut la peine de faire des efforts pour trouver des personnes avec qui collaborer.

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