Physique quantique: ouvrir de nouveaux horizons

Professeur au Département de physique de l’Université de Montréal depuis 2016, William Witczak-Krempa s’intéresse notamment aux états quantiques fortement intriqués de la matière. L’intrication quantique permet d’encoder et de partager l’information de manière non locale, ce qui peut être utilisé pour faire du calcul quantique. Née il y a 120 ans, la physique quantique étudie le très petit (les molécules, les atomes, les électrons) et des phénomènes que la physique classique ne parvient pas à expliquer. «On modélise des systèmes physiques. On fait des calculs papier-crayon et à l’ordinateur afin de comprendre des systèmes quantiques complexes. C’est beaucoup de réflexions, c’est conceptuel, il faut avoir une intuition de ce qui se passe», indique le théoricien.

William Witczak-Krempa a commencé à s’intéresser à la structure de l’intrication quantique dans les matériaux lors de ses stages postdoctoraux à l’Institut Périmètre, à Waterloo, et à l’Université Harvard. «Ça m’a fasciné. C’est le genre de chose qui n’est pas dans les livres de physique sur les matériaux, on en parle peu. Ça m’a ouvert un tout nouvel horizon», se souvient-il. Les travaux pionniers du professeur lui ont valu l’obtention de la Chaire de recherche du Canada sur les transitions de phases quantiques en 2016, qui a été renouvelée en 2021. Les subventions de recherche lui permettent de constituer une équipe avec laquelle il peut entreprendre des projets plus ambitieux et les mener à terme plus rapidement.

Comprendre la matière de façon quantique

En filigrane de tous les travaux de ce physicien théoricien se trouve l’étude des phases de la matière. «Dans mon cas, je m’intéresse à la matière quantique, dont les propriétés deviennent surprenantes par exemple à basse température. Le but de nos recherches est de comprendre et de découvrir les nouvelles phases possibles de la matière quantique et les transitions entre ces phases [une transition de phase plus familière serait l’eau qui bout ou qui gèle]», explique William Witczak-Krempa. Ainsi, un métal hautement refroidi pourrait devenir supraconducteur: dans cette phase quantique, les électrons forment des couples et se propagent sans résistance ni dissipation, permettant à l’électricité de voyager sans pertes. La basse température limite cependant la production à grande échelle. Serait-il possible de créer des matériaux quantiques à température plus élevée pour qu’ils soient accessibles à l’être humain? C’est ce que tente de comprendre l’équipe de William Witczak-Krempa en exploitant divers outils, dont les avancées récentes en intelligence artificielle.

Des particules inséparables

William Witczak-Krempa et son équipe explorent des sujets aussi audacieux et créatifs que les phases fortement intriquées, l’intrication étant une connexion quantique que deux ou plusieurs particules partagent. Une action effectuée sur une particule affectera sa «partenaire», peu importe la distance qui les sépare. «Si je mesure une des deux particules, je connais automatiquement l’état de l’autre, peu importe sa distance avec la première, même au fin fond de la galaxie, précise le professeur. En physique classique, ce genre de chose est impossible; en physique quantique, ça l’est. J’essaie de trouver comment l’intrication s’organise dans les systèmes complexes et quels matériaux sont avantageux du point de vue de leur intrication.» Cet objet de recherche est important non seulement pour mieux comprendre la matière quantique, mais également parce que l’intrication est une ressource pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques.

Même si les recherches du professeur sont théoriques, «elles s’inscrivent quand même dans cet élan de la communauté de prendre le virage quantique», résume William Witczak-Krempa, qui supervise aussi plusieurs étudiants et étudiantes et encadre des membres de son groupe de recherche, contribuant à la formation de la relève. Il reste beaucoup de recherches à mener pour déterminer l’architecture des ordinateurs quantiques et même pour écrire les algorithmes quantiques. «On n’est pas rendu au point où l’ingénierie entre en ligne de compte. Ce n’est pas simple», conclut le professeur, qui n’a pas fini d’explorer ces nouvelles frontières. 

Les travaux du professeur Witczak-Krempa et de son équipe sont financés par la Fondation Courtois.