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

Date de publication

13 janvier 2025

Catégorie

Recherche

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  »

Alica Nègre

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.

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 ».

 

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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Situé à 80 mètres du rover au moment de son décollage, le petit hélicoptère s’est élevé à 5 mètres au-dessus du sol avant de parcourir une distance de 133 mètres pour ensuite revenir atterrir à l’endroit d’où il avait décollé. Le microphone scientifique de SuperCam, développé par l’ISAE-SUPAERO, a enregistré le son émis par la rotation des pales du drone martien au cours de son vol. Ce son possède une fréquence caractéristique de 84 Hz ; elle équivaut au « mi » grave d’un piano ou à la voix de basse d’un être humain. « C’est une grande surprise pour toute l’équipe scientifique ! » affirme Naomi Murdoch, chercheuse à l’ISAE-SUPAERO qui étudie les données du micro. « Les tests effectués dans un simulateur d’atmosphère martienne pour concevoir cet instrument et nos théories de la propagation du son nous indiquaient que le micro capterait très difficilement les sons de l’hélicoptère. En effet, l’atmosphère de Mars, très peu dense, atténue fortement la transmission des sons. Nous devions avoir un peu de chance pour enregistrer l’hélicoptère à une telle distance. Nous sommes très satisfaits d’avoir réussi à obtenir cet enregistrement qui se révèle une mine d’or pour notre compréhension de l’atmosphère martienne ». Développé conjointement par l’ISAE-SUPAERO et un consortium de laboratoires du CNRS et de ses partenaires, coordonnés par le CNES, le microphone de SuperCam est dérivé d’un modèle grand public adapté pour résister à l’environnement martien. Il poursuit 3 objectifs scientifiques et techniques substantiels de la mission Mars 2020 : L’étude du son associé aux impacts laser sur les roches martiennes pour mieux connaître leurs propriétés mécaniques. L’amélioration de la connaissance des phénomènes atmosphériques (turbulence du vent, tourbillons de poussière, interactions du vent avec le rover, et désormais, avec l’hélicoptère). La compréhension de la signature sonore des différents mouvements du rover (opérations du bras robotique et du mât, roulage sur sol normal ou accidenté, surveillance des pompes, …). Le microphone avait été mis en route pour la première fois quelques heures après l’atterrissage de Perseverance. Il avait alors enregistré les premiers sons martiens provenant de turbulences dans l’atmosphère. Il est utilisé quotidiennement en conjonction avec l’ablation laser des roches pour l’analyse chimique de Mars. À PROPOS DE LA MISSION MARS 2020 : La NASA s’appuie sur le Jet Propulsion Laboratory du Caltech pour le développement de la mission Mars 2020. SuperCam a été développé conjointement par le LANL (Los Alamos National Laboratory, États-Unis) et un consortium de laboratoires rattachés au CNRS, à des universités et établissements de recherche français. Plusieurs universités espagnoles, emmenées par l’université de Valladolid, contribuent aussi à cet instrument. Le CNES est responsable, vis-à-vis de la NASA, de la contribution française à SuperCam. L’instrument est opéré en alternance depuis le LANL et le centre des opérations scientifiques installé au CNES à Toulouse, le FOCSE (French Operations Center for Science and Exploration).

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L'ISAE-SUPAERO - en tant que centre de formation par la recherche, de formation à la recherche et d’innovation - dispose de nombreux équipements de recherche utilisés au sein de ses 6 départements de recherche. Aujourd’hui, nous vous présentons les moyens cryogéniques pour tests électriques ! Le groupe de recherche sur les capteurs d’image (CIMI) de l’ISAE-SUPAERO étudie des capteurs dans le domaine des longueurs d’onde du visible, mais également les capteurs dans des domaines spectrales différents tels que l’infrarouge. La détection de ces plus grandes longueurs d’onde nécessite des matériaux autres que le silicium pour la détection, associé à un circuit de lecture silicium pour le traitement de l’information, le tout fonctionnant à température cryogénique. Dans ce cadre, l’ISAE-SUPAERO a développé des bancs de caractérisation électriques et électro-optiques de circuits microélectroniques à basse température afin d’extraire et de modéliser les comportements et les performances de ceux-ci. Ces bancs de caractérisation permettent d’adresser aussi bien des circuits très simples, de type transistors, que des composants complexes (capteur complet) allant jusqu’à 120 entrées / sorties.

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Une bourse exceptionnelle pour un projet novateur

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Une bourse exceptionnelle pour un projet novateur

Naomi Murdoch, chercheuse en physique et planétologie à l’ISAE-SUPAERO, vient d’obtenir la prestigieuse bourse Consolidator du Conseil Européen de la Recherche (ERC) pour son projet d’étude de corps planétaires baptisé GRAVITE. Ce projet scientifique ambitieux vise à concevoir une machine à gravité variable qui permettra de simuler et d’étudier des sols extraterrestres.

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L’ISAE-SUPAERO de nouveau en mission avec Hera

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L’ISAE-SUPAERO de nouveau en mission avec Hera

La mission Hera, mission internationale de défense planétaire, est en route pour étudier l’astéroïde Dimorphos, percuté par DART en 2022. L’ISAE-SUPAERO collabore activement à ce programme international de défense planétaire à travers les travaux de recherche de Naomi Murdoch et de l’équipe SSPA.

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Groupe scientifique « Systèmes Spatiaux pour la Planétologie et ses Applications » (SSPA)

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Groupe scientifique « Systèmes Spatiaux pour la Planétologie et ses Applications » (SSPA)

Le groupe « Systèmes Spatiaux pour la Planétologie et ses Applications » (SSPA) se concentre sur un axe de recherche principal : le développement de missions et des technologies associées pour l’exploration géophysique du système solaire.

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Doctorant

Mission Insight : la contribution de chercheurs de l’ISAE-SUPAERO

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Mission Insight : la contribution de chercheurs de l’ISAE-SUPAERO

L’atterrisseur InSight déployé par la NASA a enregistré deux tremblements de terre survenus en 2021 sur Mars fournissant aux scientifiques des données exceptionnelles, premières observations directes jamais réalisées du noyau d’une planète.

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Découvrez... la chambre anéchoïque radio de l’ISAE-SUPAERO

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Découvrez... la chambre anéchoïque radio de l’ISAE-SUPAERO

Les drones et les nanosatellites trouvent de nombreuses applications dans les secteurs des médias, de l’industrie, de l’agriculture ou encore des télécommunications. Ces deux types de plateformes ont pour contrainte commune d’embarquer des systèmes complexes dans un volume réduit. Un des éléments clés des systèmes de communication embarqués est l’antenne qui doit, elle aussi, être compacte et légère. L’ISAE-SUPAERO, en collaboration avec l’ENAC et la société ANYWAVES, développe actuellement des antennes diélectriques réalisées par impression 3D de céramique répondant aux critères exigeants d’intégration sur drones et nanosatellites. Grâce à la chambre anéchoïque disponible à l’ISAE-SUPAERO, les chercheurs impliqués dans le développement de ces antennes originales peuvent caractériser leurs propriétés en rayonnement avec précision et ainsi valider les nouvelles solutions technologiques proposées.

DCAS

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Groupe scientifique « Théorie, Modélisation et Ingénierie des Systèmes » (ThéMIS)

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Groupe scientifique « Théorie, Modélisation et Ingénierie des Systèmes » (ThéMIS)

Le groupe de recherche « Théorie, Modélisation et Ingénierie des Systèmes » (ThéMIS) se consacre à l’étude et au développement de méthodes avancées pour la conception, la modélisation et la validation des systèmes complexes.

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Doctorant

Remise des diplômes ingénieur ISAE-SUPAERO promotion 2023

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Remise des diplômes ingénieur ISAE-SUPAERO promotion 2023

Félicitations à nos diplômés ISAE-SUPAERO de la promotion 2023 de la formation Ingénieur ! Nous sommes fiers de vous, de vos parcours, vos accomplissements et vos engagements pendant toute la durée de vos études. Bonne entrée dans la vie professionnelle !

Cursus

Ingénieur généraliste

Remise des diplômes

Liste des témoignages

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Liste des témoignages

Alumni

Formation doctorale

Ingénieur de spécialité

Rencontre avec Camille, étudiante du cursus Ingénieur, sélectionnée pour le Tour Aérien des Jeunes Pilotes

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Rencontre avec Camille, étudiante du cursus Ingénieur, sélectionnée pour le Tour Aérien des Jeunes Pilotes

Camille Delesalle, 20 ans, vient de terminer sa première année du cursus Ingénieur généraliste à l’ISAE-SUPAERO. Elle fait partie des 45 pilotes de 18 à 24 ans sélectionnés par la Fédération Française Aéronautique pour réaliser le Tour Aérien des Jeunes Pilotes.

Aéronautique

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Ingénieur généraliste

Découvrez... le banc de plasma de l’ISAE-SUPAERO

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Découvrez... le banc de plasma de l’ISAE-SUPAERO

Avec l’émergence du « New Space », de plus en plus de CubeSats sont lancés. Sur ces petites plateformes (les CubeSats sont constitués d’un ou plusieurs cubes standards de 10 cm de côté), plusieurs sous-systèmes doivent coexister. Si les solutions de propulsion électrique permettent de gagner de l’espace et du poids à bord, leur compatibilité électromagnétique avec les systèmes de communication embarqués est encore aujourd’hui questionnée. L’ISAE-SUPAERO, en collaboration avec le CNES et le LAPLACE, développe actuellement des outils de simulation ainsi que des méthodes de caractérisation afin de fournir aux ingénieurs des outils de dimensionnement des CubeSats et des moyens d’essais efficaces pour répondre à cette problématique. Ce banc expérimental développé à l’ISAE-SUPAERO permet la caractérisation d’une décharge plasma représentative d’un propulseur électrique, ainsi que la mesure de ses interactions avec des signaux micro-ondes générés par des antennes de communication à proximité. Finalement, les données expérimentales obtenues permettront de calibrer les outils d’analyse numérique actuellement développés par nos équipes.

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Remise des diplômes ingénieur 2022 de l’ISAE-SUPAERO

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Remise des diplômes ingénieur 2022 de l’ISAE-SUPAERO

Félicitations à nos diplômés ISAE-SUPAERO de la promotion 2022 de la formation Ingénieur ! Nous sommes fiers de vous, de vos parcours, vos accomplissements et vos engagements pendant toute la durée de vos études. Bonne entrée dans la vie professionnelle !

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Remise des diplômes

Découvrez... les capteurs d’image de type CMOS de l’ISAE-SUPAERO

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Découvrez... les capteurs d’image de type CMOS de l’ISAE-SUPAERO

L'ISAE-SUPAERO - en tant que centre de formation par la recherche, de formation à la recherche et d’innovation - dispose de nombreux équipements de recherche utilisés au sein de ses 6 départements de recherche. Aujourd’hui, nous vous présentons les capteurs d’image de type CMOS ! Les capteurs d’image de type CMOS occupent une place de plus en plus importante dans notre vie de tous les jours. Ainsi, notre équipe de l’ISAE-SUPAERO développe depuis plusieurs années des capteurs d’image CMOS avec de nombreux acteurs du domaine, et innove en proposant des architectures nouvelles et des conditions d’utilisation nécessitant des études portant sur des composants élémentaires, mais également sur des structures plus complexes. Des mesures sont alors opérées sur des transistors, des diodes avec l’aide du testeur sous-pointes et d’un analyseur paramétrique autorisant des mesures de courant très basses (10 aA). De même, des structures simples contenant des pixels innovants peuvent être opérées avec le testeur utilisant des cartes à pointes couplées à un générateur de mots spécialement conçu pour les capteurs d’image. Toutes ces études permettent de mieux comprendre la physique de la photodétection, mais également de constituer des modèles pour nos simulateurs. Elles servent également à suivre les procédés de fabrication au cours des différentes réalisations.

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Le DMSM à l'Institut Clément Ader (ICA)

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Le DMSM à l'Institut Clément Ader (ICA)

L’Institut Clément Ader (UMR CNRS 5312) est le laboratoire de recherche en mécanique du solide de Toulouse et de sa région, sous l’égide du CNRS. Il fédère les équipes de recherche de quatre établissements et trois ministères : l’Université Toulouse III Paul Sabatier (Éducation Nationale), l’INSA (Éducation Nationale), l’ISAE-SUPAERO (Défense) et l’École des Mines d’Albi (Industrie). Ces établissements sont situés sur trois villes de Midi-Pyrénées, Toulouse, Albi et Tarbes.

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À l’écoute du passé martien : l’ISAE-SUPAERO au cœur de la mission ExoMars

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À l’écoute du passé martien : l’ISAE-SUPAERO au cœur de la mission ExoMars

La mission ExoMars Rosalind Franklin de l’ESA dédiée à l’exploration de Mars embarquera un instrument unique d’enregistrement du son et des données atmosphériques de la planète Mars. L’Institut a été sélectionné par l’ESA et le CNES pour cette collaboration scientifique d’envergure.

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Enseignant-chercheur

MMX, Idefix® et des caméras pour comprendre la lune de Mars

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MMX, Idefix® et des caméras pour comprendre la lune de Mars

Étudier la formation et l’origine des lunes de Mars et en ramener des échantillons : c’est la mission internationale hors norme, ambitieuse, menée par la JAXA, à laquelle participe l’ISAE-SUPAERO aux côtés du CNES.

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L’ISAE-SUPAERO et Safran inaugurent une chaire d’innovation pour former les ingénieurs de demain

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L’ISAE-SUPAERO et Safran inaugurent une chaire d’innovation pour former les ingénieurs de demain

La Chaire « Innover dans un monde en transition », d’une durée de trois ans, a pour objectif de soutenir la formation des ingénieurs capables d’innover dans un monde en transition.

Chaire

Entreprise

Ingénieur généraliste