Un bond quantique

Tout simplement parce que les ordinateurs quantiques représenteront un bond en avant par rapport aux meilleurs ordinateurs qui existent aujourd'hui. Ils pourront résoudre un nombre considérable de problèmes très techniques qui toucheront les gens dans leur quotidien, de l'efficacité des batteries qu'ils utilisent jusqu'aux médicaments qui leur sauveront la vie. Ajoutez à cela les progrès de l'apprentissage automatique, qui permet d’extraire de l'information de grandes quantités de données, et vous verrez des améliorations rapides et considérables dans bien d'autres domaines, du traitement du langage naturel à la prédiction de structures moléculaires. Une fois que nous appliquerons les techniques d'apprentissage automatique au traitement de données sur un ordinateur quantique, l'avantage informatique sera encore plus grand, qu'il soit détenu par des nations comme le Canada et la Chine ou par des entreprises comme IBM et Google.

Fort probablement, oui. Et avec les ordinateurs quantiques à correction d'erreurs qui devraient enfin voir le jour dans la décennie à venir, concevoir des algorithmes qui défient l'état de l'art dans des cas d'usage pratiques – comme la modélisation moléculaire et le chiffrement de données sensibles – est plus pressant que jamais. Ce qui nous manque encore, cependant, ce sont des algorithmes quantiques transformateurs au-delà d'une poignée de propositions existantes. Je crois fermement qu'étudier les principes fondamentaux qui sous-tendent les avantages du calcul quantique est essentiel pour combler cette lacune. C'est là qu'entrent en jeu des phénomènes quantiques contrintuitifs, comme la non-localité et la causalité quantique. Faire le pont entre les fondements et les applications dans ces domaines nous permettra de réaliser plusieurs percées: d'abord, élaborer un paradigme de programmation fonctionnelle pour le calcul quantique menant à des façons uniques de simuler les systèmes physiques; ensuite, déterminer les limites ultimes de la puissance informatique issue de la physique quantique; et enfin, bâtir de nouvelles architectures d'apprentissage automatique puissantes pour une IA quantique – espérons-le, interprétable.

J'ai commencé en physique, obtenant mes diplômes de 1^er cycle et de maîtrise à l'Imperial College London. J’ai terminé mon mémoire en 2018 dans un programme d'échange avec l'Université de Fribourg-en-Brisgau, en Allemagne. Quatre ans plus tard, après des séjours à l'Université de Hong Kong et au Bureau britannique des communications, j'ai obtenu mon doctorat de l'Université d'Oxford en informatique.

Puis, de 2022 à 2023, j'ai vécu au Japon et occupé un poste de chercheur postdoctoral au département de physique de l'Université de Tokyo dans un partenariat industriel avec IBM. Et de 2023 à 2024, j'ai été chercheur postdoctoral ici au Canada, à l'Institut Périmètre de physique théorique et à l'Institut d'informatique quantique, à Waterloo.

Au début de ma carrière, j'ai coécrit l'un des premiers articles sur une généralisation quantique des réseaux de neurones et, dans mon doctorat, j'ai conçu un cadre pour décrire la superposition des processus quantiques dont je me suis servi pour travailler sur une généralisation de la théorie quantique de Shannon, et j’ai appliqué des techniques similaires pour formuler une extension du modèle de calcul par circuits. De plus, j'ai contribué à une meilleure compréhension de la causalité dans la théorie quantique grâce à des travaux qui ont eu des retombées importantes pour le traitement de l'information.

Deux de mes articles les plus récents portent sur les algorithmes quantiques pour la simulation de systèmes physiques, motivés en grande partie par la recherche de techniques quantiques pour améliorer la simulation, la manipulation et la découverte de nouveaux matériaux. Contrairement aux travaux antérieurs sur la simulation du comportement d'un système quantique, qui supposaient que ses propriétés étaient connues à l'avance, mon approche se base sur le paradigme récent de l'informatique quantique d'ordre supérieur, qui permet aux systèmes quantiques inconnus d'être manipulés et simulés à la manière d’une «boîte noire» – c'est-à-dire sans qu’on ait d'abord à caractériser leur comportement en laboratoire. Je crois que cette approche novatrice pourrait avoir un effet à long terme sur la simulation de systèmes quantiques et chimiques – un ingrédient essentiel dans la mise au point de matériaux moléculaires.

Ensuite, je m’intéresse à l’élaboration de nouveaux outils d'IA, sur lesquels l'Institut Courtois mise pour concevoir des matériaux – par exemple la découverte de matériaux candidats pour les batteries destinées aux énergies vertes. Au final, mettre la recherche fondamentale au service des technologies de pointe rendra possibles des percées scientifiques imprévisibles, et c'est en lien avec la mission de l'Institut Courtois de faire de la recherche fondamentale qui a une incidence technologique pour qu’ultimement l'UdeM soit un chef de file mondialement reconnu dans l'information quantique.

C'est très important, et cela va de pair avec l'approche globale que j’adopte dans mon travail.

Au cours de ma carrière, j'ai constitué un réseau de collaborateurs aux expertises de recherche diverses basés à Oxford, Cambridge, Londres, Vienne, Paris, Genève, Waterloo, Hong Kong et Tokyo, et établi trois collaborations expérimentales pour confirmer mes résultats dans la pratique. Durant cette période, j'ai supervisé ou cosupervisé huit étudiants de maîtrise et de 1^er cycle, et j'ai eu l'occasion d'enseigner la théorie de l'information quantique et l'informatique quantique comme auxiliaire d'enseignement à des étudiants de 1^er et de 2^e cycle en informatique.

Cet automne, je donnerai un nouveau cours de 2^e cycle sur l'informatique quantique, ses fondements et l'apprentissage automatique destiné aux étudiantes et étudiants affiliés aux communautés de l'Institut Courtois et de Mila, qui auront ainsi la possibilité d'apprendre sur ces sujets en lien avec la science des matériaux.

Je ne sais pas, mais je suis certainement fermement engagé à favoriser un environnement d'équité, de diversité et d'inclusion à l'UdeM. Ayant vécu dans sept pays sur trois continents au cours des 13 dernières années et venant d'un milieu mixte islandais-taïwanais, je suis parfaitement conscient des nombreux défis auxquels font face les gens issus de contextes culturels, linguistiques, ethniques, religieux ou socioéconomiques différents. Je comprends aussi l'importance de l'équité pour les personnes dont la langue maternelle n'est pas l'anglais et pour les personnes handicapées: j'ai déjà aspiré à devenir violoniste de concert, mais j’ai dû abandonner ce rêve il y a 10 ans quand j'ai souffert de sérieux problèmes musculosquelettiques. J’en ressens encore les effets aujourd'hui, quand j'ai besoin de technologies d'assistance pour utiliser un ordinateur par exemple.

C'est un défi dans une certaine mesure, mais j’ai bon espoir de pouvoir maîtriser la langue d'ici quelques années. Bien que je ne parle pas encore couramment français, j'ai suivi sept semaines de cours de français à temps plein en 2024 et je constate que je rattrape lentement le temps perdu depuis les quelques mois où je suis à Montréal. Apprendre les langues est quelque chose que j'aime de toute façon. J'ai grandi en parlant islandais – j’habitais à Akureyri, une ville portuaire dans le nord du pays – ainsi que le chinois mandarin, la langue maternelle de ma mère originaire de Taïwan.

Quand ma famille s’est installée au Royaume-Uni pour six mois – mon père travaillait comme chercheur invité à l’Université de Cambridge –, j'avais cinq ans et j'ai appris l'anglais. Durant mon séjour universitaire en Allemagne, j'ai pris l'allemand comme matière secondaire et, après une année, j'étais capable de parler la langue couramment dans un contexte d’études. Et puis il y a bien sûr la musique: un langage entièrement différent.

En grandissant, je me suis formé pour devenir violoniste de concert et j'ai joué comme soliste avec l'Orchestre symphonique d'Islande et comme premier violon de l'Orchestre national des jeunes d'Islande. Plus tard, je me suis mis à écrire ma propre musique, cocomposant et sortant un album original inspiré d'une histoire traditionnelle islandaise. Quant à mes autres passe-temps, la cuisine et la méditation, ils ont leur propre vocabulaire et je ne peux pas dire que j'ai maîtrisé l'un ou l'autre, et je ne le ferai peut-être jamais!