Zoom sur... la physique quantique à l’ISAE-SUPAERO : un parcours étudiant

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- L’ISAE-SUPAERO intègre de façon ininterrompue depuis 1980 la physique quantique dans ses activités de formation et de recherche et propose depuis deux décennies des enseignements liés à la seconde révolution quantique. 

- L’Institut souhaite ainsi apporter à ses étudiants un petit «  plus  » leur permettant de s’orienter vers la recherche ou vers une ingénierie faisant de plus en plus appel aux théories quantiques. 

- Dans le secteur aérospatial, dans des domaines tels que la surveillance de la Terre, la navigation ou encore la sécurité des moyens de communication, la connaissance de la physique quantique est prisée par de nombreux industriels. 

«  Un projet de physique quantique m’a conduite vers la recherche  »

Alicia Nègre a intégré l’ISAE-SUPAERO avec un vif intérêt pour les sciences, l’astrophysique, la physique, le chemin était à trouver. Les enseignements, les opportunités de stage, un diplôme complémentaire, etc., ses choix l’ont dirigée avec passion vers la physique quantique. Ingénieure promotion 2023, Alicia mène aujourd’hui une thèse en mathématiques appliquées au calcul de structure électroniques. Un parcours désormais tout tracé  !

Le déclic pour les sciences et la recherche

Au lycée, Alicia est captivée par les sciences, devenir médecin pourquoi pas  ? Mais les maths et la physique la passionnent aussi. Son esprit se nourrit de documentaires d’Arte, de vidéos de vulgarisation des sciences, elle suit notamment le youtubeur David Louapre dont les sujets la fascinent. En classe prépa, un cours d’introduction à la mécanique quantique ne la laisse pas insensible aux mystères de la discipline.

Elle se souvient «  Quand j’intègre l’ISAE-SUPAERO, je suis principalement attirée par le spatial, l’astrophysique. Avec les cours de physique quantique, de physique statistique et de relativité en première année, j’opte pour des enseignements électifs d’approfondissement, mais j’élargis mes centres d’intérêt en incluant la physique quantique ».

Le vrai déclic s’opère sur un projet de recherche de 2ᵉ année qu’Alicia effectue dans le département de recherche en électronique, optronique et signal (DEOS).

Sébastien Massenot, enseignant-chercheur à l’ISAE-SUPAERO en charge des cours de physique fondamentale, lui propose de collaborer au développement d’un protocole expérimental basé sur les travaux du physicien irlandais John Bell et du prix Nobel de Physique 2022 Alain Aspect.

Physique quantique ITW 2_A.NEGRE
Schéma du montage de génération et de détection de paires de photons intriqués pour le projet expérimental auquel à participé Alicia

C’est précisément sur la mesure du paramètre de J. Bell qu’Alicia se penche, elle programme, teste afin d’automatiser la mesure, et travaille à son optimisation pour réduire les incertitudes sur celle-ci. «  J’ai beaucoup appris et aimé la démarche, explorer des pistes de recherche et travailler en équipe. C’est à ce moment-là que devenir ingénieure a eu du sens pour moi. L’imbrication avec la recherche m’était nécessaire, cela m’a ancré », confie-t-elle.

L’énigme de la physique quantique

Pour Alicia, «  Dans la mécanique quantique, il y a ces échanges constants entre les mathématiques et la physique. Il faut mettre en place des objets et espaces mathématiques différents pour décrire et exprimer ces phénomènes que l’on ne peut pas expliquer avec les théories de la physique classiques. Pour comprendre le comportement des systèmes quantiques, on a besoin de poser un nouveau cadre mathématique qui remet en question la façon de décrire les systèmes physiques à certaines échelles. Cela éclaire, voire prédit notamment, les concepts d’états superposés ou d’états intriqués. Après avoir travaillé du côté plus expérimental, j’ai voulu aller plus loin sur le volet théorique et particulièrement comprendre comment les mathématiques peuvent décrire, modéliser ou prédire des comportements insoupçonnés des particules et des objets quantiques en général et comment elles accompagnent le travail des chercheuses et chercheurs à la frontière entre ces domaines ».

Physique quantique ITW 2_A.NEGRE

Pour cela, en dernière année de son cursus ingénieur, l’étudiante privilégie la filière Modélisation des systèmes complexes et simulation et suit en parallèle le Master 2 de Mathématiques pour la Recherche et l’innovation (M2RI) de l’Université Toulouse III - Paul Sabatier. En 2023, Alicia réalise son Projet de Fin d’Etudes au Centre d’Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC - CERMICS). Son stage porte sur l’étude de méthodes de résolutions de l’équation de Schrödinger à N corps, et les possibilités que peuvent apporter certains algorithmes quantiques. Cette problématique constitue le sujet de sa thèse à l’ENPC. «  J’aime ce milieu académique, de recherche pluridisciplinaire qui conduit à travailler à la frontière de la chimie, des maths, de la physique » précise-t-elle.

Elle poursuit «  La physique quantique et ses applications ne forment pas un domaine aux applications aussi abstraites que ce que l’on pourrait penser.   Il y a de nombreuses applications concrètes dans les technologies de la miniaturisation par exemple, dans nos téléphones, les télécommunications, dans le secteur de la biologie moléculaire, dans les sciences des matériaux, de l’énergie, et bien sûr dans les perspectives qu’ouvre l’informatique quantique. C’est également surprenant de voir qu’un grand nombre de branches des mathématiques interfèrent sur un même sujet, analyse fonctionnelle, algèbre, optimisation… ».

À l’ISAE-SUPAERO, l’enseignement de la physique quantique s’appuie sur les recherches menées par les équipes scientifiques de l’Institut dans les secteurs aéronautique et spatial comme les réseaux de télécommunications, d’imagerie…

Ce lien fort entre recherche et formation permet de proposer aux étudiants des opportunités de stage, des projets et de former dans ce domaine de futurs chercheurs et ingénieurs.

« Quantique », c’est quoi ?

La physique quantique a été développée au XXe siècle pour rendre compte de nombreuses observations à l’échelle microscopique non explicables par les théories de la mécanique ou de l’électromagnétisme classique. Elle a également permis d’effectuer de nombreuses prédictions vérifiables et vérifiées sur les propriétés de la matière et des rayonnements à toutes les échelles (des particules élémentaires à l’astrophysique).

Les développements technologiques et industriels issus de cette théorie et réalisés au XXe siècle ont permis des avancées considérables dans des domaines tels que la microélectronique, l’informatique, les télécommunications, l’imagerie, la médecine… Il s’agit de «  la première révolution quantique  ». À titre d’illustration, plus d’un tiers du PIB des États-Unis est issu des applications directes de cette discipline  !

Depuis plusieurs dizaines d’années, de nombreux laboratoires et acteurs industriels s’intéressent au développement de nouvelles applications basées sur le contrôle des propriétés d’une seule ou de quelques particules quantiques individuelles. La théorie quantique prédit qu’une même particule peut être décrite par plusieurs états simultanément (superposition) et que deux particules ayant interagi par le passé vont conserver un «  lien  », quelle que soit la distance les séparant (intrication).

Bien que non intuitives dans un cadre classique, ces propriétés ont été vérifiées de manière expérimentale et peuvent être utilisées pour améliorer la sensibilité de nombreux capteurs (accéléromètres, gravimètres…), la sécurité des communications, et être mises à profit pour accélérer des calculs à l’aide d’ordinateurs quantiques.

Le développement de ces nouvelles applications, dont nous assistons actuellement au déroulement, porte le nom de «  seconde révolution quantique  ». Pour en célébrer le centième anniversaire, 2025 a été décrétée année internationale des sciences et technologies quantiques par les Nations Unies.

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