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.”

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.

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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.

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

L’Institut d’informatique quantique (IQC) et le Département de physique et d’astronomie de la Faculté des sciences de l’Université de Waterloo tiennent à féliciter Thomas Jennewein pour l’obtention d’une chaire d’excellence en recherche du Canada à l’Université Simon-Fraser, en Colombie-Britannique.

Le Programme des chaires d’excellence en recherche du Canada finance, à concurrence de plusieurs millions de dollars pendant huit ans, des chercheurs de calibre international afin qu’ils réalisent d’ambitieux programmes de recherche au sein des universités canadiennes. Cette distinction prestigieuse consolide la réputation du pays comme destination de choix en matière de recherche.

Thomas Jennewein occupera sa nouvelle chaire à l’Université Simon-Fraser au printemps 2024, tout en restant très proche de l’IQC et de la communauté de physique de l’Université 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 mène ses activités à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie.

Nous souhaitons beaucoup de succès à Thomas Jennewein dans la suite de sa carrière et dans ses efforts pour élever le rang du Canada comme destination en recherche et en innovation quantiques.

Sa nomination a été annoncée 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.

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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 Lütkenhaus, 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.”

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.

“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 semaine dernière, l’Institut d’informatique quantique (IQC) a accueilli à Waterloo plus de 20 stagiaires postdoctoraux prometteurs venus de partout pour participer à la neuvième édition 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 thèmes de pointe en informatique quantique, comme la tolérance aux pannes, la cryptographie quantique, les défauts quantiques dans les diamants et les tableaux atomiques.

Des représentants invités de grands instituts de recherche d’Amérique du Nord, d’Europe et d’Asie sont venus présenter leurs travaux inspirants au corps professoral, aux stagiaires postdoctoraux et aux étudiants de cycle supérieur de l’IQC.

« Je suis ravi de voir toutes les idées innovantes, et la direction que prend le domaine de l’informatique quantique, déclare Norbert Lütkenhaus, directeur général 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. »

Au programme de la semaine, il y aura eu des présentations de tous les stagiaires postdoctoraux invités, deux conférences plénières, une séance de présentation par affiches et une table ronde professionnelle, sans oublier des visites de laboratoires et de nombreuses occasions de réseauter pour les participants et pour les chercheurs de l’IQC.

En effet, étaient aussi présents des chercheurs de l’IQC qui ont assisté aux présentations, fait part de leurs réflexions et questions et mis en lumière les travaux de l’institut.

« J’ai passé une excellente semaine à découvrir tout ce qui se passe à Waterloo, se réjouit le Conor Bradley, conférencier invité venu de l’Université de Chicago. C’est aussi fascinant d’observer les différents efforts déployés dans les secteurs privé et universitaire. L’expérience a été fort agréable. »

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

« C’était formidable de passer ces quelques jours avec ce groupe, souligne Susanna Todaro, conférencière invitée venue d’Oxford Ionics. Cet événement stimulant sur le plan intellectuel m’a permis d’échanger des idées, de faire du remue-méninges et de présenter mes travaux. C’était un honneur d’être invitée. »

Pour certains, Quantum Innovators était un retour aux sources. Des participants étaient contents de revenir à l’IQC après y avoir étudié ou passé du temps. Quelques membres du corps professoral se sont aussi remémoré les présentations qu’ils avaient faites à l’atelier pendant leur stage postdoctoral.

« Ce n’est pas ma première fois à l’IQC, donc je suis content d’avoir pu voir ce qui a changé ces dernières années, témoigne Josiah Sinclair, conférencier invité venu du Massachusetts Institute for Technology. La conférence et les échanges étaient formidables et j’ai adoré les visites de laboratoires. C’est fantastique de découvrir tous les efforts expérimentaux qui sont menés. »

Les ateliers Quantum Innovator sont partiellement financés par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (fonds Apogée) dans le cadre de l’initiative de recherche Transformative Quantum Technologies.

Depuis 2012, Quantum Innovators invite de brillants stagiaires postdoctoraux du monde entier à visiter l’IQC et fait sa marque année après année sur la communauté de recherche quantique internationale.

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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 (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.

Candidat au doctorat à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, Shayan Majidy travaille comme physicien théoricien dans le groupe du P^r Raymond Laflamme. Ses travaux portent sur les dynamiques de l’information quantique, et plus particulièrement sur les façons dont les propriétés non classiques de l’information sont produites, utilisées ou perdues ainsi que sur les conséquences physiques qui en découlent. Pour ce faire, il étudie les ressources qui offrent des avantages quantiques, les effets des propriétés universelles sur les dynamiques quantiques, et la thermodynamique du traitement de l’information.

Dans un article récent de Nature Review Physics dont il est l’auteur principal, « Noncommuting conserved charges in quantum thermodynamics and beyond », Shayan Majidy examine les résultats dans l’un de ses sous-domaines de prédilection – y compris trois de ses études de fraîche date – et discute de l’avenir de ce champ de recherche. Dans ce numéro de Parlons quantique, il nous entretient plus longuement de cet article.

Shayan Majidy (troisième à gauche) avec ses collaborateurs.

Pouvez-vous expliquer le sujet de votre article?

Le fait de mesurer la température d’un café ne devrait pas réduire la quantité de liquide dans la tasse. Puisque ces deux propriétés sont indépendantes, on dira que l’énergie et le volume du café commutent. Cette compréhension intuitive que les quantités conservées – les charges – sont commutatrices sous-tend une multitude de dérivations de la physique. Or, l’incapacité des charges à commuter est un point important de la théorie quantique; c’est l’assise du célèbre 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 problème qui a déjà été étudié de A à Z et qu’on modifie un paramètre en apparence mineur – comme la commutation des charges –, des fois, ça ne change presque rien, mais d’autres fois, on observe des phénomènes complètement différents. C’est comme ouvrir un paquet de cartes de hockey, la fébrilité de découvrir si on aura ou non une carte rare… Sauf qu’en recherche, on ne procède pas à l’aveugle; on fait un changement parce qu’on pense qu’il va se produire (ou ne pas se produire) quelque chose de précis.

Pouvez-vous expliquer vos découvertes récentes?

Oubliez ce que je viens de dire sur le fait de ne pas procéder à l’aveugle : mes travaux récents reviennent pas mal à avoir trouvé 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 réversibles peuvent se transformer en dynamiques macroscopiques irréversibles. Dans toutes les disciplines de la physique, on s’intéresse aux façons dont l’intrication s’installe, se répand et fluctue. Les circuits quantiques surveillés sont l’un de nos outils pour comprendre tout cela. En général, ils se composent de portes aléatoires à deux qubits, qui créent des intrications entre les qubits, et de mesures projectives de milieu de circuit, qui défont ces intrications. Portes et mesures sont engagées dans un bras de fer constant.

Imaginez un bouton de réglage qui détermine la fréquence des mesures. S’il est au plus bas, les portes prennent le dessus et le système atteint un niveau d’intrication élevé, dit en loi de volume. Si l’on tourne lentement le bouton, les portes gardent le dessus pendant un certain temps, mais après un point particulier, appelé point critique, les mesures commencent à l’emporter, et le système perd beaucoup de son intrication jusqu’à atteindre un état dit en loi d’aire. Ce point critique a des propriétés vraiment intéressantes que j’ai couvertes plus en détail dans un séminaire récent 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 disparaît : on continue de tourner le bouton, mais le système semble figé au point critique. C’est ce qu’on appelle la phase critique. C’est intéressant parce que les phases critiques sont rares, un peu comme une première édition de la carte de Connor McDavid au hockey. Nous travaillons encore à essayer de comprendre cette phase et ce qui la provoque.

Quels sont les effets concrets des charges non commutatrices?

Une partie du plaisir à étudier le sujet réside dans le fait que l’on comprend encore imparfaitement les implications théoriques des charges non commutatrices. Et il existe des possibilités intrigantes; par exemple, la non-commutation agit parfois comme une protection anti-thermalisation, et parfois comme un stimulant de cette même thermalisation. Si les charges non commutatrices résistent à la thermalisation (et donc à la flèche du temps), elles pourraient potentiellement servir à créer des mémoires ou des batteries quantiques plus durables.

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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.

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.

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.

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 nommés membres 2023 de l’American Physical Society.

Dmitry Pushin, aussi professeur au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, se voit ainsi honoré pour ses innovations dans la diffusion neutronique et l’interférométrie guidées par la science de l’information quantique et la physique des ondes structurées.

« Je suis fier que notre travail ait été reconnu par la communauté scientifique, et je remercie le NIST et l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT) pour leur soutien », déclare-t-il.

Graeme Smith, aussi professeur au Département de mathématiques appliquées de l’Université de Waterloo, se voit lui reconnu pour ses travaux essentiels sur les capacités des canaux quantiques, notamment sa preuve de la continuité, son éclaircissement du phénomène de la superactivation et sa classification de l’ensemble des formules entropiques additives.

« Je suis touché de cette reconnaissance par les pairs. Je suis particulièrement content que la citation souligne mon travail sur les capacités des canaux quantiques. La recherche de nouvelles façons d’imaginer et d’analyser ces capacités a déjà exposé tant d’aspects fascinants de la théorie quantique, et nous en avons encore beaucoup à apprendre. »

Anton Burkov, professeur au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, a également été honoré pour deux contributions majeures : la détermination que les métaux et semimétaux de Weyl constituent des phases topologiques sans trou (« non-gappées »), et l’élucidation de leur réponse topologique au transport et à l’optique magnétiques.

Les candidatures de Dmitry Pushin, Graeme Smith et Anton Burkov ont été recommandées lors de la réunion de septembre du conseil de l’American Physical Society, respectivement par le groupe thématique sur les mesures de précision et les constantes fondamentales (GPMFC), par la division de l’information quantique (DQI) et par la division de la physique de la matière condensée (DCMP). Le nombre de candidatures recommandées chaque année ne peut dépasser 0,5 % du total de membres actifs (excluant les membres étudiants).

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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.

“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.

This article was initially published on Waterloo News.

Nouveau système optique conçu pour cibler et contrôler des atomes uniques

Des chercheurs ont conçu la méthode la plus fiable à ce jour pour contrôler les qubits uniques de baryum grâce à la lumière laser. La capacité à contrôler efficacement un qubit est une percée majeure pour la construction d’ordinateurs quantiques fonctionnels.

Cette nouvelle méthode, mise au point à l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo, use d’un petit guide d’ondes en verre pour séparer les faisceaux laser et les espacer de quatre micromètres, soit environ quatre centièmes de l’épaisseur d’un cheveu humain. Jusqu’à présent, la recherche n’était jamais arrivée à une telle précision et à un tel degré de contrôle en parallèle des faisceaux laser sur leurs qubits cibles.

« Notre modèle limite la quantité de diaphonie – la lumière répercutée sur les ions environnants – à une intensité relative très basse de 0,01 %, l’un des meilleurs chiffres de la communauté de la quantique, explique K. Rajibul Islam, professeur à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie de Waterloo. Contrairement aux méthodes précédentes pour contrôler aisément les ions uniques, celle-ci empêche les modulateurs à fibre optique d’interférer entre eux. »

« Nous pouvons ainsi interagir avec n’importe quel ion sans affecter ceux autour, tout en gardant un maximum de contrôle sur chacun. À notre connaissance, aucun système de contrôle des qubits à ions utilisé dans les secteurs universitaire et privé n’est à la fois aussi précis et aussi souple que celui-là. »

Les chercheurs se sont penchés sur les ions de baryum, qui gagnent en popularité dans le domaine de l’informatique quantique des ions piégés. Les ions de baryum ont des niveaux d’énergie simples qui peuvent être utilisés comme niveaux 0 et 1 d’un qubit et manipulés par de la lumière verte visible, contrairement à d’autres types d’atomes dont la manipulation nécessite un rayonnement ultraviolet à énergie plus élevé. Les chercheurs peuvent ainsi tirer parti de technologies optiques disponibles sur le marché, chose impossible lorsqu’on travaille avec des longueurs d’onde ultraviolettes.

L’équipe de recherche a créé une puce de guide d’ondes qui divise un faisceau laser en 16 pinceaux lumineux différents. Chaque pinceau lumineux est ensuite dirigé vers un modulateur à fibre optique, qui offre un bon contrôle de l’intensité, de la fréquence et de la phase de chaque faisceau laser. Ces derniers sont ensuite concentrés à petite distance les uns des autres grâce à un ensemble de lentilles optiques semblables à un télescope. Les chercheurs ont vérifié la concentration et le contrôle de chaque faisceau laser en les mesurant avec des capteurs photographiques précis.

« Ce projet s’inscrit dans les efforts de l’Université de Waterloo pour bâtir des processeurs quantiques d’ions de baryum avec des systèmes atomiques », affirme Crystal Senko, cochercheuse principale avec K. Rajibul Islam et membre du corps professoral de l’IQC et du Département 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 défi, c’est de trouver des manières de les contrôler. »

Cette nouvelle méthode de contrôle par guide d’ondes est simple et précise, donc prometteuse pour la manipulation d’ions dans une optique d’encodage et de traitement des données quantiques et pour la concrétisation 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 été publié par Ali Binai-Motlagh, Matthew L. Day, Nikolay Videnov, Noah Greenberg, Crystal Senko et K. Rajibul Islam dans la revue Quantum Science and Technology.

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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. 

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. 

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. 

Beaucoup d’expériences en traitement de l’information quantique reposent sur notre capacité à transmettre, à manipuler ou à détecter les photons. Dans ces applications, la longueur d’onde des photons détectés peut aller de l’infrarouge et de la lumière visible utilisée dans les systèmes de communication optique aux photons micro-ondes que l’on trouve dans les dispositifs quantiques supraconducteurs. Bien qu’il existe un vaste éventail de détecteurs de photons optiques, la détection 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 lumière d’arrière-plan, complique les choses. 

Un détecteur de photons micro-ondes efficace aurait un grand champ d’application : dispositifs quantiques supraconducteurs, informatique quantique, détection quantique, physique des particules, etc. C’est avec cette idée en tête que des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo se sont penchés sur une nouvelle technique pour détecter les photons uniques micro-ondes à l’aide de diamants. 

En collaboration avec Michal Bajcsy, Ph. D. et Christopher Wilson, Ph. D., membres du corps professoral de l’IQC et du Département de génie électrique et informatique de l’Université de Waterloo, Olivia Woodman et Abdolreza Pasharavesh, étudiants aux cycles supérieurs à l’IQC, ont mis au point un modèle prometteur capable de détecter ces photons en exploitant la sensibilité à la lumière d’un défaut dans la structure cristalline du diamant. Un diamant parfait se compose uniquement d’atomes de carbone. Toutefois, certains diamants présentent un centre azote-lacune, soit un vide laissé par la substitution d’un atome de carbone par un atome d’azote. Ces défauts, 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 élément recherché pour diverses applications en technologie quantique, comme les communications, la détection et la recherche fondamentale.  

Pour sa proposition, l’équipe de recherche a imaginé un dispositif où les interactions entre les photons micro-ondes et les défauts du diamant modifient les propriétés d’un résonateur optique (cavité). « La première étape consiste à confiner les photons dans des cavités électromagnétiques, explique Abdolreza Pasharavesh. Comme la lumière émise par un photon unique est très faible, nous utilisons les cavités comme mécanisme pour augmenter l’interaction entre les photons et notre émetteur quantique. » Le centre azote-lacune est rattaché à une cavité optique et à un guide d’ondes coplanaire, une structure constituée d’un matériau conducteur, comme une bande de métal, déposé sur une surface plane qui agit comme une barrière sur les parois et le dessous. Les guides d’ondes coplanaires dirigent et transmettent les signaux micro-ondes le long d’un chemin défini, en les empêchant de se disperser. 

Dans le détecteur conçu par le groupe, le diamant se trouve à l’intersection du guide d’ondes coplanaires, ce qui permet d’attirer les photons micro-ondes dans le dispositif et dans la cavité optique, qui est sondée par laser et surveillée par un détecteur 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 électronique. Les modifications apportées au spin du centre azote-lacune ont un effet sur la fréquence de résonance de la cavité optique. Les chercheurs peuvent ainsi mesurer la présence de photons micro-ondes sur le guide d’ondes coplanaire en utilisant des photons visibles. 

Par des simulations reposant sur des équations maîtresses faisant intervenir le centre azote-lacune et les champs dans les cavités, le groupe a déterminé que son détecteur pouvait atteindre une efficacité de détection d’environ 90 % et une fidélité (pourcentage de détections exactes) supérieure à 90 %. Les dynamiques du système ont été étudiées à l’aide de méthodes de Monte-Carlo, qui prédisent le comportement en contexte réel d’un système complexe selon la moyenne de nombreuses trajectoires simulées. 

La relative simplicité, l’aspect pratique et l’efficacité de ce nouveau détecteur sont prometteurs pour le développement de technologies de détection des photons micro-ondes. De plus, l’utilisation proposée d’une matière solide comme le diamant pourrait faciliter l’intégration de ce type de détecteur dans des systèmes électroniques transistorisés, qui sont plus adaptables que d’autres plateformes d’information quantique. 

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

Le groupe se prépare maintenant à la prochaine étape de sa recherche, soit le passage de la théorie à la réalité expérimentale pour mettre en pratique ses nouvelles hypothèses. L’étude en question, « Detecting Single Microwave Photons with NV Centers in Diamond » a été publiée dans la revue Materials le 21 avril 2023. 

En francais

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. 

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

Project: Quantum Optical Ground-Station for QEYSSAT.

Project: Robust Quantum Key Distribution 

Project: Efficient Quantum Algorithms and Protocols 

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

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 génie du Canada (CRSNG) a annoncé cette semaine le financement de six projets de sciences et technologies quantiques menés par des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC). 

« Félicitations à ces talentueux récipiendaires de partout au pays pour leurs travaux révolutionnaires qui contribueront à la santé et au bien-être de tous, au Canada comme à l’étranger. Cette initiative de financement est une façon pour le gouvernement fédéral d’investir dans la prochaine génération de chercheurs et de les encourager à continuer de sortir des sentiers battus pour relever les défis 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 pérennité de programmes de recherche du corps professoral de l’IQC. Les subventions à la découverte permettent aux chercheurs de poursuivre des objectifs à long terme ainsi que de former les étudiants aux cycles supérieurs et d’encadrer les stagiaires postdoctoraux. Au total, le CRSNG verse cette année 450 000 $ aux chercheurs de l’IQC par l’intermédiaire du Programme de subventions à la découverte et du Programme de subventions d’outils et d’instruments de recherche. 

Projet: Travaux sur la structure et les dynamiques des systèmes de spin à l’état solide au moyen de la nano-imagerie par résonance magnétique (nano-IRM)

Projet: Aménagement de la station terrestre d’optique quantique pour le QEYSSat 

Projet: Distribution quantique de clés à toute épreuve 

Projet: Algorithmes et protocoles quantiques performants 

Projet: Répéteur quantique hybride – Interaction des photons intriqués aux points quantiques avec des atomes froids 

Projet: Technologies quantiques optiques expérimentales pour l’intrication ultrarapide, la simulation photonique et la causalité quantique 

Le Programme de subventions à la découverte vise à inspirer les chercheurs et à leur assurer des outils modernes. Il sert à abattre les obstacles pour créer un milieu de la recherche inclusif et pleinement représentatif de la diversité au Canada. Enfin, il aide le pays à attirer et à 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 résultats du programme de recherche axée sur la découverte annoncés 

En français

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.

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.

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.” 

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. 

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. 

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

Au cours des deux dernières semaines, l’Institut d’informatique quantique (IQC) a ouvert les portes de ses locaux, laboratoires et communautés à des élèves du monde entier à l’occasion de la 16^e session annuelle de la Quantum School for Young Students (QSYS). 

La QSYS est un programme d’enrichissement unique qui initie les élèves du secondaire au monde des sciences et technologies de l’informatique quantique. Pendant neuf jours, les élèves visitent l’IQC et découvrent comment ce domaine interdisciplinaire combine l’informatique, le génie, les mathématiques, la physique et la chimie afin de repousser les limites de la science moderne. Les élèves explorent les curiosités du monde à l’échelle quantique à travers des présentations d’experts, des séances de résolution de problème et des expériences pratiques.

Du 9 au 17 août, 42 élèves passionnés provenant du Canada, des États-Unis, de la République tchèque, de l’Inde, du Pakistan et du Cambodge ont été invités à l’IQC afin de saisir cette occasion de former des amitiés internationales et de réseauter avec les professeurs et chercheurs à l’avant-plan de leurs domaines.

« L’intérêt que les jeunes élèves à travers le monde portent à l’informatique quantique est incroyable. Il rassemble les personnes intéressées par les applications importantes et par les questions fondamentales sur la réalité comme aucun autre domaine », dit John Donohue, gestionnaire principal de la vulgarisation scientifique de l’IQC.

Notre équipe de vulgarisation scientifique a commencé par deux présentations sur l’histoire de l’informatique quantique et les mathématiques en quantique pour que les participants puissent établir les bases en mathématiques nécessaires pour comprendre les concepts comme les algorithmes quantiques, la mécanique quantique et la physique expérimentale. Les élèves ont été encouragés à élargir leurs connaissances grâce à des expériences pratiques qui explorent les effets quantiques comme l’interférence, la résonance, les spectres atomiques et l’intrication.

L’un des nombreux événements marquants de cette année fut le discours inaugural de Alan Jamison, un professeur de l’IQC et du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo « C’est un vrai plaisir de rencontrer des élèves du secondaire si enthousiastes envers la science, et particulièrement en science quantique » affirme M. Jamison, qui se spécialise en recherche sur les atomes ultrafroids. « La profondeur de leurs questions m’étonne toujours. »

Les élèves ont aussi fait la rencontre d’étudiants aux cycles supérieurs de l’IQC comme Fiona Thompson, qui a expliqué aux élèves ce qu’est la supraconductivité, Joan Arrow, qui a fondé le Quantum Ethics Project et Everett Patterson, qui a joué le rôle de chaperon et de conférencier cette année. « Quel énorme privilège de mentorer ces élèves exceptionnels du monde entier! », explique Everett. « Leur soif de connaissance sur la quantique et au-delà m’a impressionné, tant en classe qu’à l’extérieur. » Les participants ont aussi eu l’occasion de parler avec des chercheurs en quantique pendant une séance de table ronde de mentorat accéléré.

Lors de sa 16^e édition, le programme QSYS de l’IQC continue d’influencer la relève de la recherche quantique, dépassant en 2023 le seuil de 1 000 provenant de 46 pays du monde. Avec la contribution de près de 30 chercheurs quantiques, le programme de la QSYS regorgeait d’expertise et d’occasion de mentorat pour piquer la curiosité des participants prêts à apprendre et stimuler l’attrait de la quantique.

Parmi les activités et l’apprentissage portant sur la quantique au programme, les élèves apprécient toujours les installations à la fine pointe de la technologie de l’IQC, dont l’Espace d’exploration quantique équipé de systèmes de haute qualité pour les expériences de laboratoire et aiment socialiser avec leurs collègues. Cette année, les élèves ont formé des amitiés internationales en jouant aux quilles, en allant visiter les chutes du Niagara et en jouant au hockey-balle.

En francais

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.

La parole aux experts : la quantique, garante de la cybersécurité aujourd’hui et demain

Michele Mosca, professeur à l’Université de Waterloo, explique comment on peut se servir de la quantique pour protéger ses données

Les risques de sécurité informatique sont plus manifestes que jamais. L’avènement prévu d’ordinateurs quantiques capables d’intercepter nos données cryptées oblige les pouvoirs publics et les citoyens à comprendre le phénomène et à trouver moyen de protéger les renseignements sensibles. Michele Mosca, expert en cryptographie quantique à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo, explique comment on peut utiliser cette technologie pour protéger nos données les plus précieuses.

Quelles sont les menaces posées par le développement de l’informatique quantique?

Pour l’essentiel, la sécurité de nos infrastructures numériques repose sur la cryptographie à clé publique. Cette technique garantit la protection des données en cours de transmission ainsi que l’intégrité et l’origine de l’information : c’est ainsi qu’on peut savoir, par exemple, qu’une mise à jour logicielle n’est ni trompeuse ni malveillante. Elle assure aussi la disponibilité des systèmes informatiques et, de plus en plus, la disponibilité et le contrôle des technologies opérationnelles.

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

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

Les décideurs doivent s’engager à mettre les systèmes gouvernementaux à l’abri des technologies quantiques avant une date butoir à établir en fonction de l’importance de chaque système. Ils doivent aussi veiller à ce que les secteurs qu’ils encadrent fassent de même, et leur indiquer comment procéder.

Ils doivent également impulser une planification et une mise à l’essai expéditives, mener des projets pilotes serrés, et encourager le recours à des fournisseurs de services – nationaux ou autres – dignes de confiance pour l’élaboration de plans de transition donnant accès à des solutions et à un savoir-faire solides qui pourront être déployés

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 précautions classiques : faire ses mises à jour, ne rien télécharger d’une source douteuse, activer l’authentification multifacteur, recourir à 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, dès qu’on en a l’occasion, demander pourquoi nos informations confidentielles ne sont pas encore protégées par la cryptographie quantique puisque les données transmises (recensement, NAS, données sur la santé, etc.) peuvent être enregistrées maintenant et décryptées plus tard lorsque les ordinateurs quantiques arriveront. Plus il y aura de demandes, plus les responsables seront pressés d’agir.

Enfin, on peut demander à son député fédéral ou provincial si l’Administration suit les pratiques exemplaires dans ce domaine.

En français

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 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 à l’équipe de l’Université de Waterloo à titre de professeur de l’IQC et du Département de mathématiques appliquées.

Les travaux de Graeme Smith portent principalement sur la portion « information » de la théorie de l’information quantique, visant les limites du stockage, de la transmission et du traitement de l’information; ils étendent la théorie de l’information classique de Shannon aux régimes où les effets quantiques sont importants. Théoricien, M. Smith étudie les mathématiques de l’information quantique et s’intéresse à la combinatoire et à l’informatique. Il porte aussi un intérêt à la métrologie, soit la science des mesures précises et des limites fondamentales.

Passionné de communication scientifique, il combat la mésinformation qui circule souvent sur l’informatique quantique. Il est actif sur Twitter et utilise fréquemment la plateforme pour partager de l’information exacte et bien dosée sur la progression et les capacités du traitement quantique.

Par le passé, Graeme Smith a été professeur au JILA, l’institut conjoint de l’Université du Colorado à Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST), ainsi qu’employé à IBM. Il détient un baccalauréat de l’Université de Toronto et un doctorat du California Institute of Technology.

Accueillons-le chaleureusement à l’IQC!

En français

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 

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.

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 

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 

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 Journée internationale des femmes en génie

La Journée internationale des femmes en génie

Le 23 juin, c’est la Journée internationale des femmes en génie. L’Institut d’informatique quantique (IQC) est fier d’avoir une communauté interdisciplinaire soudée, réunissant des membres de sept facultés de l’Université de Waterloo, en génie, en mathématiques et en sciences.

Il célèbre aujourd’hui certaines de ses brillantes ingénieures, qui accomplissent de grandes choses, possèdent un bagage remarquable et offrent de précieux conseils à ceux et celles qui aspirent à tracer l’avenir. Espérons que la visibilité croissante des femmes en génie encourage plus de filles et de jeunes femmes à se lancer en STIM (science, technologie, ingénierie et mathématiques)!

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 arrivée à l’IQC en 2016, après avoir décroché un doctorat en physique appliquée de l’Université Stanford, où elle a étudié les propriétés du transport mésocospique dans les nanostructures de basse dimensionnalité. Dans sa recherche aux cycles supérieurs, elle a étendu ses travaux à l’optique quantique et à la nanophotonique, travaillant sur plusieurs projets expérimentaux et théoriques avec des étudiants des cycles supérieurs, des chercheurs postdoctoraux et d’autres collaborateurs.

À l’IQC, Na Young Kim dirige le laboratoire d’innovation quantique, qui utilise divers matériaux conventionnels et de pointe ainsi que des technologies avancées pour construire des processeurs quantiques à grande échelle. Son équipe travaille plus particulièrement à l’intégration de structures photoniques à différents matériaux semiconducteurs pour donner lieu à de puissantes interactions entre la lumière et la matière. Elle utilise aussi les algorithmes classiques d’apprentissage machine pour analyser les processus de bruit des dispositifs classiques et quantiques. En outre, l’équipe évalue continuellement l’utilité des nouveaux matériaux et de leurs hétérostructures dans un large éventail d’applications, comme des détecteurs dont les propriétés sont exposées par modélisation des dispositifs. Na Young Kim remplit plusieurs rôles au laboratoire d’innovation quantique; non seulement elle souhaite imprimer sa vision de la recherche et en définir les objectifs et l’orientation, mais elle excelle aussi comme planificatrice rigoureuse sachant fixer des étapes concrètes et détaillées, comme mentore en recherche poussant les étudiants à réaliser leur potentiel et à se dépasser, et comme chercheuse active menant des expériences pratiques et des analyses de données pour encadrer étroitement ses projets et contribuer à l’exploration scientifique.

« L’avenir des sciences quantiques et de l’ingénierie dépend de la présence de personnes talentueuses et dévouées aussi inébranlables qu’optimistes. Je crois fermement que la recherche est une entreprise intrinsèquement créative qui requiert un apprentissage et un savoir-faire soutenus ainsi qu’un entraînement sans fin. Par conséquent, les chercheurs sont destinés à persévérer et à prospérer, générant de nouvelles connaissances, menant la barque des nouvelles technologies et extrayant de nouveaux apprentissages. C’est ce dévouement qui nous permet de surmonter obstacles, barrières et défis, même les plus inattendus. Nous devons procéder à une introspection profonde pour prendre nos décisions et faire preuve dans nos vies d’un sens aigu de nos responsabilités. »

Récemment, l’équipe interdisciplinaire de Na Young Kim s’est penchée sur des approches hybrides classiques-quantiques pour l’architecture quantique à l’état solide. La première approche consiste à adopter des modèles de réseaux de neurones profonds pour les signaux télégraphiques aléatoires omniprésents dans les dispositifs classiques et quantiques, et la seconde, à établir des méthodes reproductibles pour la production de nanomatériaux et de pellicules de grande qualité pouvant être employés dans la conception et la construction d’un large éventail de dispositifs quantiques photoniques et électroniques.

Katie McDonnell, Ph. D.

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

Katie McDonnell étudiait à l’Université de Glasgow lorsqu’elle a décroché son baccalauréat en mathématiques et en physique; elle a ensuite obtenu une maîtrise en nanoscience à l’Université de Strathclyde. Femme de terrain avant d’être théoricienne, elle a poursuivi sa recherche aux laboratoires d’optique de Strathclyde, ce qui l’a conduit à 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 expérimental qui vise à interfacer des atomes froids et des points quantiques pour créer un répéteur quantique hybride, un système qui divise les longues distances de communication quantique en plusieurs petits segments ayant leur propre cryptage. Les techniques employées au cours de ce projet ont permis aux chercheurs de convertir les longueurs d’onde de photons uniques ou d’emmagasiner la lumière dans l’atome, en utilisant ce dernier comme une mémoire quantique.

« Le domaine des technologies quantiques rassemble des gens issus de diverses disciplines, y compris le génie et la physique, qui sont toutes essentielles au progrès du domaine. J’ai surtout œuvré en physique, mais je dirige actuellement la recherche à la Faculté de génie et mon expérience me permet d’y apporter une couleur différente. C’est une occasion en or pour moi d’acquérir de l’expérience en génie et de faire avancer la recherche collaborative en quantique. »

Katie McDonnell participe bénévolement aux initiatives de vulgarisation scientifique de l’Institut d’informatique quantique; elle a récemment enseigné bénévolement la distribution quantique de clé à un groupe de visiteurs du secondaire. Elle a aussi donné une conférence sur l’informatique quantique au Renison University College de l’Université de Waterloo à des étudiants potentiels dont l’anglais n’était pas la première langue.

Sarah Odinotski

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

Sarah Odinotski a obtenu son baccalauréat en sciences appliqué spécialisé en génie nanotechnologique et effectué un certificat en recherche, régime coopératif à l’Université de Waterloo. Dans ce programme unique, qu’elle recommande aux étudiants qui s’orientent vers la recherche professionnelle, la chercheuse s’est concentrée sur les domaines de la microfabrication, de la nanoélectronique et de la nanomédecine. Son choix s’est arrêté sur le génie nanotechnologique en raison de la créativité, de la recherche de solutions et de l’enrichissement personnel qui caractérisent ce milieu interdisciplinaire inspirant.

« Je crois que le génie est un domaine intéressant, car il nous permet de nous concentrer sur des façons créatives de passer de la théorie à des outils pratiques aux retombées 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 étudiante à la maîtrise au laboratoire du professeur Michael Reimer; elle conçoit un détecteur de photon unique utilisé en biophotonique, un domaine de recherche qui combine biologie et photonique pour étudier les processus optiques dans des matériaux naturels et artificiels. Elle aime travailler en recherche translationnelle pour produire des résultats accessibles et bénéfiques pour le public. En réorientant sa carrière vers la conception d’appareils médicaux, elle a compris toute la portée du travail de laboratoire dans le bien-être et la qualité de vie des gens.

En 2021, elle a été nommée étudiante en génie au régime coopératif de l’année à l’Université de Waterloo ainsi que femme de l’année Kitchener-Waterloo dans la catégorie jeune adulte. Jusqu’à maintenant, elle a contribué à la conception et à la création de deux capteurs au point d’intervention : un biocapteur de pH à base d’hydrogel, pour lequel elle attend un brevet américain, ainsi qu’un biocapteur de cortisol, pour lequel l’équipe de conception s’est vu décerner le prix d’entrepreneuriat Norman-Esch. Elle espère que ces réussites marquent le début d’une carrière florissante qui s’amorce avec sa maîtrise à l’Institut d’informatique quantique.

Cindy Yang 

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

Après son baccalauréat ès sciences appliquées en génie nanotechnologique à l’Université de Waterloo, Cindy Yang a choisi l’IQC pour faire son doctorat. Le programme coopératif de l’Université de Waterloo lui a permis d’explorer divers champs de recherche au Sunnybrook Research Institute, de la synthèse de nouveaux nanomatériaux au développement de capteurs ultrasoniques, ainsi que de travailler en acoustofluidique à l’Université RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology).

« L’information est physique, et ses manifestations relèvent de l’ingénierie. Il existe des espaces vides entre les différents champs d’expertise, espaces que les ingénieurs œuvrent à combler. C’est un travail plutôt complexe qui requiert vraiment toutes sortes de connaissances, mais qui est aussi tellement valorisant. »

Axés sur l’électrodynamique quantique en guide d’ondes, les travaux actuels de Cindy Yang révèlent de nombreux effets intrigants des émetteurs quantiques, comme la désintégration corrélée et les interactions d’échange, qui pourraient se répercuter sur des applications comme la photonique intégrée, le traitement d’information quantique et les systèmes de communication optique. La recherche expérimentale de M^me Yang porte surtout sur les nouvelles configurations de guides d’ondes à l’aide de circuits supraconducteurs.

En 2020, Cindy Yang a reçu la première bourse d’études supérieures Raymond-Laflamme-et-Janice-Gregson pour les femmes en informatique quantique, pour ses grandes réussites scolaires et pour son potentiel d’excellence en recherche. Plus récemment, elle a reçu le prix commémoratif Jim-et-Diane-Ohi, pour son leadership au Département de génie électrique et informatique et, encore une fois, pour ses grandes réussites scolaires. Ce prix reconnaît l’efficacité de son leadership ainsi que ses nombreuses contributions à la communauté étudiante des cycles supérieurs de ce département pendant son mandat à la présidence de l’association des étudiants des cycles supérieurs du Département de génie électrique et informatique. À l’heure actuelle, elle représente ses collègues doctorants du Département au comité consultatif des étudiants en génie des cycles supérieurs et travaille activement comme bénévole et organisatrice d’événements variés (séances d’orientation, marathons de programmation, convocations, et écoles d’été USEQIP et QSYS de l’IQC pour les étudiants du premier cycle et les élèves du secondaire). Enfin, elle est titulaire d’une bourse d’études supérieures de l’Ontario (BESO).

En français

The 14^th 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.”

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.

Le programme de formation de l’École de premier cycle sur le traitement quantique expérimental de l’information de l’IQC inspire les étudiants

Pendant deux semaines, la 14^e édition du programme de formation de l’École de premier cycle sur le traitement quantique expérimental de l’information (USEQIP) a battu son plein à l’Institut d’informatique quantique (IQC). Ce programme de sensibilisation accueille des étudiants de premier cycle de partout dans le monde à l’IQC pour explorer en détail l’information quantique. Les participants et participantes suivent des cours d’introduction à la théorie quantique, explorent différentes approches expérimentales employées dans les dispositifs quantiques, et peuvent faire neuf expériences pratiques.

Cet été, 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 à Waterloo jusqu’à la fin de l’été grâce à 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 étudiants aussi excités et enthousiasmés par les sciences quantiques. Les expériences pratiques de l’USEQIP sont uniques en leur genre. Les participants ont merveilleusement bien appliqué la théorie de l’informatique quantique aux vraies machines. »

Des membres du corps professoral et des étudiants de 3^e cycle de l’IQC ont donné des présentations sur une grande diversité d’applications de la quantique. Parmi les meilleurs moments du programme de cette année, on compte la présentation sur les neutrons de Melissa Henderson, étudiante au doctorat, et l’exposé sur la correction d’erreurs quantiques de Sarah Meng Li, étudiante à la maîtrise en mathématiques.

« J’ai déjà été étudiante à l’USEQIP, et ça a élargi 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 très gratifiant. Ça me prouve que j’ai évolué et grandi sur le plan personnel, et me permet de redonner à ma communauté. C’est très stimulant. »

Les étudiants ont aussi participé à plus de 30 heures de travaux expérimentaux pendant les deux semaines du programme. Ils ont notamment planché sur la résonance magnétique nucléaire, la supraconductivité, l’intrication quantique et la distribution quantique de clés. Ils ont également eu la chance de pénétrer dans la salle blanche de l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques. Plusieurs de ces laboratoires et présentations se déroulaient dans l’Espace d’exploration quantique, un laboratoire à la fine pointe de la technologie conçu pour que les étudiants et visiteurs de l’IQC puissent avoir accès à de vrais systèmes quantiques propres à la recherche pour mener des expériences et cultiver leurs connaissances.

Bien que les participants soient venus pour se familiariser avec l’information quantique, la clé de la bonne atmosphère qui règne à l’IQC, c’est son intégration à la communauté. Les étudiants de l’USEQIP ont affronté les professeurs de l’IQC dans une partie de hockey-balle, et étudiants et membres du personnel ont pu participer à des soirées aux quilles et au pub, et même faire une excursion aux chutes Niagara en autobus.

Le programme de l’USEQIP est financé par l’IQC et l’initiative Transformative Quantum Technologies (TQT). Au cours des 14 dernières années, des personnes de 32 pays ont participé au programme.

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 4^th, 2023. This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the TQT program at IQC.

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 à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de chimie de l’Université de Waterloo, s’attelle à créer de nouveaux matériaux de haute qualité aux propriétés recherchées pour les applications futures en informatique quantique.

Après plusieurs années de recherche, M. Baugh et ses collaborateurs ont finalement découvert une méthode permettant de faire croître des structures cristallines à l’aide de l’antimoniure d’indium, un semi-conducteur spécifiquement conçu à cet effet. Il s’agit d’une première étape prometteuse dans la construction de dispositifs quantiques de conception.

L’équipe de recherche dirigée par M. Baugh a créé une plateforme en antimoniure d’indium pour un type de qubit en particulier appelé fermion de Majorana. Bien que toujours au stade théorique, ces qubits devraient offrir une meilleure résistance au bruit et à la décohérence par rapport à d’autres types de qubits, étant donné leurs caractéristiques physiques uniques. Les qubits de Majorana bénéficient d’une protection contre les influences extérieures grâce à la façon dont leurs informations sont encodées dans des états quantiques hautement non locaux. Cette protection est une propriété intéressante qui pourrait rendre les futurs ordinateurs quantiques moins sensibles aux erreurs. L’antimoniure d’indium présente une combinaison unique de propriétés, notamment une grande mobilité des électrons et un fort couplage spin-orbite qui, lorsqu’il est couplé à un supraconducteur, créent des conditions propices à l’apparition de fermions de Majorana.

« Au plan théorique, l’antimoniure d’indium contient le meilleur ensemble d’ingrédients idéaux nécessaires pour les qubits de Majorana, du point de vue des semi-conducteurs, explique E. Annelise Bergeron, première auteure de l’étude et candidate au doctorat à l’IQC et au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. Notre étude est la première à surmonter certaines des difficultés qui ont entravé les travaux antérieurs concernant la création de plateformes pour la construction de ces dispositifs destinés aux qubits de Majorana. »

Leur travail est le fruit d’une véritable collaboration dans la communauté de l’Université de Waterloo. M. Baugh et M^me Bergeron ont collaboré avec le Groupe d’épitaxie par jet moléculaire dirigé par le professeur Zbigniew Wasilewski de l’Institut de nanotechnologie de Waterloo, ainsi qu’avec le Département de génie électrique et informatique de l’Université Waterloo. Les dispositifs ont été fabriqués dans les ateliers de l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques (QNFCF), et l’équipe a utilisé des installations d’essai spécialisées dans le cadre du programme Transformative Quantum Technologies (TQT) de l’IQC.

Au moyen d’un procédé appelé épitaxie par jet moléculaire, l’équipe de M. Wasilewski a produit des structures de tranches contenant de fines couches d’antimoniure d’indium appelées puits quantiques. Ces derniers contiennent des électrons confinés dans un plan 2D, une configuration connue sous le nom de gaz d’électrons bidimensionnel. Avec ces tranches, M^me Bergeron a fabriqué des dispositifs quantiques connus sous le nom de barres de Hall avec grille sur la surface, lesquels sont utilisés pour mesurer les propriétés du gaz d’électrons bidimensionnel. Ensuite, M^me Bergeron et son équipe ont caractérisé ces dispositifs en utilisant de très basses températures et des champs magnétiques puissants, ce qui correspond à un régime où la résistance de Hall adopte des valeurs quantifiées, connu sous le nom de régime d’effet Hall quantique. Leurs résultats démontrent la possibilité d’obtenir des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualité dans l’antimoniure d’indium, présentant des propriétés très prometteuses pour les futurs dispositifs de qubits de Majorana.

Après de nombreuses itérations de croissance de tranches, de fabrication de dispositifs et de mesures, l’équipe de collaborateurs a enfin trouvé une méthode permettant d’obtenir de manière reproductible des structures de puits quantiques, des techniques de fabrication fiables ainsi que des gaz d’électrons bidimensionnels de haute qualité.

« En raison des difficultés rencontrées par le passé, personne d’autre n’a encore réussi à travailler avec l’antimoniure d’indium, explique M^me Bergeron. Le fait que nous ayons rapporté deux croissances de tranches et plusieurs dispositifs issus de chacune de ces croissances témoigne de notre réussite à mettre au point une méthode efficace de croissance des cristaux et de fabrication reproductible. Le cumul de ces éléments, c’est tout un succès! »

Maintenant que l’équipe a réussi à surmonter les obstacles liés à la croissance et à la caractérisation de ces gaz d’électrons bidimensionnels dans l’antimoniure d’indium, elle est enthousiaste à l’idée d’utiliser cette plateforme comme point de départ pour de futures recherches.

« Nous espérons que nos recherches ouvriront la voie à une nouvelle plateforme vraiment unique sur laquelle nous pourrons construire des dispositifs quantiques plus intéressants et déterminer si nous pouvons détecter les fermions de Majorana, a déclaré M. Baugh. Nous sommes sur le point de commencer à travailler avec ce nouveau matériau pour découvrir jusqu’où nous pouvons le mener. »

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

En français

“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 Lütkenhaus, 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.

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 première conférence Quantum Connections promeut le maintien de l’excellence en quantique à Waterloo et au Canada

« Le Canada ne peut pas se permettre de ne pas encourager les intervenants de son écosystème quantique à collaborer », a déclaré Nipun Vats, sous-ministre adjoint, Secteur des sciences et de la recherche, Innovation, Sciences et Développement économique Canada (ISDE), au cours du discours d’ouverture qu’il a prononcé à la première conférence nationale de réseautage de l’Institut d’informatique quantique's (IQC), Quantum Connections, sur les défis liés à l’information quantique et à son avenir au Canada

Cette conférence de réseautage, commanditée par IBM Quantum, Xanadu et le cabinet Gowling WLG, a rassemblé plus de 150 experts en informatique quantique des secteurs public et privé et du milieu universitaire. Sur une période de deux jours, elle visait à les amener à renforcer leur collaboration et à développer leur réseau de relations. Elle avait pour objectif de stimuler l’essor de l’écosystème quantique qu’envisagent Nipun Vats, le directeur général de l’IQC Norbert Lütkenhaus et bien d’autres grands spécialistes de l’information quantique afin que le Canada maintienne son excellence en quantique à l’échelle internationale dans un domaine en plein envol.

Les participants ont débattu des enjeux auxquels notre pays est confronté dans cette perspective et ils ont discuté, de façon proactive, de l’avenir de la filière quantique au Canada. La conférence Quantum Connections se tiendra chaque année, et devrait évoluer avec la réalité changeante de l’innovation dans le domaine au Canada.

Voici quelques-uns des moments forts de cette année : le discours d’ouverture prononcé par Nipun Vats, Ph. D., le 3 mai, sur les défis du secteur quantique au Canada, ainsi que la présentation de Sonia Sennik, le 4 mai, sur l’avenir de l’industrie quantique au pays.

« Le Canada est à l’avant-garde : il crée des entreprises dans l’industrie quantique et soutient la commercialisation de leurs produits et services », a déclaré Sonia Sennik au cours de son discours d’ouverture. Mme Sennik est la directrice générale de Creative Destruction Lab (CDL), un programme d’amorçage s’adressant à des entreprises scientifiques ayant une forte capacité d’évolution. Dans son discours d’ouverture, elle a présenté le champ de travail du CDL et les méthodes employées pour donner aux gens les moyens de mettre en application les résultats de la recherche dans des espaces de commercialisation.

« En raison des dépenses engagées dans la fabrication d’équipements quantiques, conjuguées à l’amélioration 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’intéresseront plus simplement à l’avantage de la quantique, mais plus précisément à son “avantage économique”. »

Les conférenciers, dont Jérôme 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 filière quantique.

C’était l’occasion idéale, pour les participants, de développer leur réseau de relations professionnelles et de se rencontrer, notamment à l’activité de réseautage au bar-salon The Lokal dans le centre-ville de Kitchener.

Nous avons passé un bon moment hier soir à l’activité de réseautage de la conférence Quantum Connections!

Merci @XanaduAI, qui a commandité l’activité de réseautage et l’a rendue possible. C’est fantastique d’assister à la naissance de relations professionnelles entre experts dans la communauté canadienne #quantique.

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Au cours de la conférence, on a abordé toutes sortes de sujets et de points de vue, notamment la mise en place de programmes de formation universitaire et le développement chez la main-d’œuvre des compétences nécessaires pour faire progresser le secteur quantique et ainsi développer les technologies associées en vue de les commercialiser et de leur faire une place sur les marchés, et pour établir et atteindre les objectifs nationaux dans une perspective d’innovation.

Au cours des discussions, les participants sont revenus souvent sur les changements apportés à la Stratégie 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 débat au coin du feu entre Iain Klugman et Raymond Laflamme, Ph. D., coprésident du conseil consultatif sur la SQN. MM. Klugman et Laflamme ont discuté de leur expérience relative à la rédaction et au lancement de stratégies nationales et de la façon de s’y prendre pour transformer les mots couchés sur le papier pour décrire la SQN du Canada, en mesures efficaces et en résultats. « Il est primordial de partir du bon pied, » a déclaré M. Klugman. « Il faut nous percevoir comme une communauté, dans le cadre d’une initiative nationale. Nous remarquons que les situations dans lesquelles le Canada a obtenu du succès par le passé sont celles où nous avons pris conscience de l’importance de faire front commun face au monde. »

« Pour promouvoir l’innovation, il faut un écosystème. Il faut un parcours interconnecté entre le laboratoire et l’utilisation finale, » a déclaré Megan Lee, Ph. D., au cours d’une table ronde sur l’attraction de talents dans l’industrie quantique. Mme Lee et ses collègues invités, Rafal Janik, Olivia Lanes, Ph. D. et Pooya Ronagh, Ph. D. se sont penchés sur les changements survenus dans l’industrie quantique et ont présenté toutes sortes de solutions visant à attirer une nouvelle génération d’employés qualifiés.

Au cours de la dernière table ronde, à laquelle ont participé le vice-président de la société Certicom affiliée à BlackBerry, Jim Alfred, Aimee Gunther, Ph. D., sous-directrice du Programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) ainsi que Michele Mosca, Ph. D., de l’IQC ont expliqué la place privilégiée qu’occupent les sociétés canadiennes dans l’avenir de la quantique et la façon d’amener les entreprises d’ailleurs à utiliser les technologies quantiques canadiennes dans la perspective d’un avenir prometteur, axé sur l’innovation. « Nous devons concilier nos efforts pour régler les problèmes liés à l’adoption des dernières innovations », a déclaré 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 à suivre. »

Et l’IQC a vraiment l’intention de ne pas laisser cet enthousiasme s’éteindre. Compte tenu du succès remarquable de la conférence Quantum Connections 2023, l’IQC a hâte d’organiser la conférence de l’année prochaine en vue de rassembler encore une fois les experts de l’industrie quantique au Canada.

« Quantum Connections s’apprête à devenir l’événement phare de la quantique au Canada », a déclaré Alexandre Choquette, responsable du secteur quantique à IBM Quantum, le principal commanditaire de la conférence.

À Waterloo, le représentant d’@IBM Quantum prononce le discours d’ouverture de la conférence #QuantumConnections à @QuantumIQC!

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Commentaires des participants à la conférence Quantum Connections 2023:

« Merci d’avoir organisé cette conférence! Quelle belle occasion de rencontrer des collègues 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 été laissé au hasard! Cette conférence va prendre de l’essor, c’est certain. »

« C’est la conférence la mieux organisée à laquelle j’ai assisté. »

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

« Dans l’ensemble, l’événement était bien organisé, et tout s’est bien déroulé. J’ai appris, et l’information m’est utile surtout parce que la discussion était axée sur les possibilités de commercialisation et la force du Canada. Les repas étaient délicieux (les meilleurs plats et les boissons les plus délicieuses que j’ai jamais consommés dans un congrès). »

Réservez votre date pour Quantum Connections 2024 (1^er et 2 mai). Demeurez à l’affût!

En français

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

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 

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 Université de Montréal, 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 

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 

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 célèbre la présence des femmes en mathématiques

Journée internationale des femmes en mathématiques

En ce 12 mai, l’Institut d’informatique quantique (IQC) emboîte le pas à la grande famille mondiale des mathématiques pour célébrer ses représentantes féminines. La date choisie est celle de l’anniversaire de la regrettée Maryam Mirzakhani, première femme récipiendaire de la médaille Fields, une prestigieuse récompense en mathématiques qui souligne les contributions exceptionnelles dans le domaine.

Dans le milieu des mathématiques, des sciences et du génie, nous croyons qu’il est particulièrement important de poursuivre nos efforts pour favoriser l’équité, la diversité et l’inclusion. En ce jour de reconnaissance, l’IQC présente quelques femmes de notre communauté à la feuille de route impressionnante qui racontent leurs expériences et leurs réussites et donnent des conseils à la relève féminine en mathématiques.

Pleins feux sur les mathématiciennes de l’IQC

Debbie Leung

Professeure, IQC
Professeure, Département de combinatoire et d’optimisation, Université 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 était, par pur hasard, complètement différent de celui du reste de la maisonnée. Seule, sans trop de jouets (c’était avant l’avènement d’Internet), les manuels d’école de mes aînés (surtout ceux qui regorgeaient de problèmes de mathématiques et les atlas) étaient mes principales sources de divertissement. Plus tard, passionnée par le bricolage de dispositifs d’optique, par l’observation des étoiles, puis par la cosmologie, j’ai choisi des majeures de premier cycle en mathématiques et en physique pour me préparer. Un choix qui s’est avéré judicieux lorsque j’ai décidé de me réorienter en information quantique dans les premiers mois de mon parcours aux études supérieures.

J’ai décroché des diplômes de premier cycle en mathématiques et en physique de Caltech, puis j’ai obtenu une maîtrise et un doctorat de l’Université Stanford.

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

2. Quels sont votre rôle et votre domaine de recherche à l’IQC? Avez-vous des réussites précises à souligner?

Je suis membre du corps professoral de l’IQC et professeure titulaire au Département de combinatoire et d’optimisation de l’Université de Waterloo. Je me spécialise dans la théorie de la communication quantique et de l’information quantique, qui portent sur les propriétés des données quantiques et les meilleurs vecteurs de diffusion.

Dernièrement, mes collègues 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 collègue désireuse de se frayer un chemin dans le domaine?

Mon expérience a peu à voir avec mon statut de femme. J’aurais bien aimé avoir plus de collègues féminines, mais la plupart des chercheurs se sont montrés 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 réduisant les risques de surmenage ou de découragement.

Sara Zafar Jafarzadeh

Stagiaire postdoctorale, IQC
Département de combinatoire et d’optimisation, Université 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 maîtrise en apprentissage machine et en IA, j’ai fait de la protection de la vie privée et de la sécurisation des communications numériques mes chevaux de bataille. C’est à ce moment que j’ai choisi de me diriger vers la cryptographie. J’ai décroché un doctorat en informatique de l’Université de Montréal, au cours duquel j’ai travaillé 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 à aimer les mathématiques et à envisager d’en faire une carrière. Je pense que c’est une aspiration qu’il faut poursuivre, dans le monde universitaire et au quotidien.

2. Quels sont votre rôle et votre domaine de recherche à l’IQC? Avez-vous des réussites précises à 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 mathématiques à la cryptographie et à l’informatique quantique, et j’adore enseigner! J’aime transmettre mon savoir au grand public et j’ai participé à bon nombre des activités de vulgarisation de l’IQC. En 2022, à l’école d’été sur la distribution quantique de clés (DQC) pour les étudiants aux cycles supérieurs et les jeunes stagiaires postdoctoraux, j’ai donné une conférence sur la sécurité inconditionnelle.

J’ai aussi donné conjointement un cours d’introduction au traitement de l’information quantique, offert aux étudiants de premier cycle des programmes de mathématiques, d’informatique et de génie informatique de l’Université de Waterloo. J’ai également été invitée à donner des exposés et des présentations dans des conférences renommées 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 mathématiques, c’est un langage universel qui sert à décrire tout ce qui nous entoure, des lois fondamentales de la physique à la gestion financière. J’aime le fait que les mathématiques aient tant d’applications, et leur rôle crucial dans la cryptographie moderne.

Mon conseil aux prochaines générations? Ne vous perdez pas en réflexions. Pas besoin d’être une première de classe pour entreprendre une carrière ou des études dans les STIM. Les mathématiques, ce n’est pas genré. Des femmes aux connaissances variées dans le domaine peuvent embrasser une carrière en mathématiques; elles ne sont pas différentes de leurs collègues masculins.

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 commencé mes études universitaires en cinéma, puis je me suis mise à 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 deuxième majeure en physique. Je suis devenue tellement passionnée que j’ai laissé tomber le cinéma pour me diriger vers un doctorat en physique. Attirée par les aspects mathématiques et fondamentaux de la physique avant tout, je me suis tournée vers la physique théorique et j’ai atterri au programme de doctorat du Département de mathématiques appliquées de l’Université de Waterloo. Pour ce qui est de mon expérience en tant que femme dans le domaine, même si je constate que mes collègues féminines sont grandement sous-représentées, je n’ai jamais eu l’impression d’être traitée différemment.

2. Quels sont votre rôle et votre domaine de recherche à l’IQC? Avez-vous des réussites précises à souligner?

J’en suis à ma deuxième année 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 mathématiques donnent une vision unique de l’univers. De nombreuses découvertes scientifiques ont été prédites en se basant purement sur les mathématiques des décennies avant l’obtention de preuves tangibles directes. Si les théories doivent encore être confirmées par l’expérience, c’est incroyable de voir comment les mathématiques sont capables de repousser par elles-mêmes les frontières des connaissances sur le monde dans lequel nous vivons.

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

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 baccalauréat en mathématiques de l’Université de Californie à Berkeley en 2018. Pour être honnête, ce n’est pas avant mon premier cours d’analyse réelle que j’ai eu assez la bosse des mathématiques pour envisager d’en faire une carrière. C’est le premier cours où j’ai eu l’impression que les problèmes étaient des casse-têtes auxquels j’aurais pu m’attarder toute la journée, et non des calculs au but précis. Désireuse de retrouver cette flamme pendant mes études de deuxième cycle, j’ai commencé mon doctorat à l’Université A&M du Texas en 2019, avant de faire le saut à l’Université de Waterloo en 2021 avec la personne qui me conseillait.

J’ai rencontré des gens absolument empathiques et inébranlables en mathématiques, 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 rôles normatifs de genre, et même leur nuire. Je suis reconnaissante à toutes les personnes qui nous ont ouvert le chemin.

2. Quels sont votre rôle et votre domaine de recherche à l’IQC? Avez-vous des réussites précises à souligner?

Mon lien avec l’IQC est dans le cadre de mon programme de cycle supérieur interdisciplinaire. Je suis rattachée au Département de mathématiques pures, et mes intérêts sont au croisement de l’algèbre d’opérateurs et de la théorie de l’information quantique.

Le réseau de mentorat en algèbre d’opérateurs est une organisation qui se consacre à la défense et au soutien des algébristes d’opérateurs qui ont vécu ou qui vivent des préjugés en raison de leur identité ou de leur expression de genre (femmes, personnes non binaires, personnes transgenres). J’ai siégé au conseil d’administration de cette organisation dans la dernière année et elle occupe une place spéciale dans mon cœur.

3. Qu’aimez-vous le plus des mathématiques et quel conseil donneriez-vous à une femme désireuse de se frayer un chemin dans ce domaine?

Une grande joie réside dans la compréhension mutuelle qu’atteignent les mathématiciens après de longues discussions. Comprendre et être comprise : voilà pour moi une composante fondamentale des mathématiques. (William P. Thurston l’explique de manière bien plus éloquente que moi dans son essai On Proof and Progress in Mathematics.) Je regrette d’avoir travaillé autant en solitaire pendant mes études de premier cycle. Malgré le règne des gros ego dans le milieu, je pense qu’il vaut la peine de faire des efforts pour trouver des personnes avec qui collaborer.