Descriptif
Ce cours porte sur les nouvelles technologies quantiques, et vient dans la continuité les connaissances de mécanique quantique vue en première année (PHY101). Nous compléterons dans une première partie les connaissances de première année en mécanique quantique, comme la matrice densité, l'oscillateur harmonique quantique, et intrication quantique. Dans une seconde partie, nous traiterons des communications quantiques et en particulier de l'échange quantique de clés sécurisés. Enfin, un intervenant d'une start-up ou d'une industrie présentera ses travaux de recherche.
Cette UE est conseillée aux élèves suivant les filières Telecom et ACCQ.
Objectifs pédagogiques
Acquis d'apprentissageÀ l'issue de l'UE, l'élève sera capable de:
- Décrire les principes de la communication quantique
Précisions : Expliquer les mécanismes de communication sécurisée utilisant les propriétés quantiques de la lumière, tels que l'intrication et la distribution quantique de clés (QKD), BB84 et BBM92.
- Identifier les caractéristiques des paires de photons intriqués
Précisions : Nommer et distinguer les différentes méthodes de génération de paires de photons intriqués et décrire leur utilité dans la communication et l'informatique quantiques.
- Résoudre des problèmes impliquant l'oscillateur harmonique quantique
Précisions : Calculer les niveaux d'énergie, les fonctions d'onde, et les transitions entre états dans un oscillateur harmonique quantique en utilisant le formalisme approprié.
- Analyser l'application de l'opérateur densité pour décrire systèmes quantiques mixtes
Précisions : Interpréter les opérateurs densité pour décrire des états statistiques de systèmes quantiques et évaluer la cohérence et la décohérence dans ces systèmes.
- Expliquer le phénomène d'intrication quantique et ses applications pratiques
Précisions : Illustrer comment l'intrication est utilisée dans la téléportation quantique, la cryptographie quantique, et les réseaux quantiques.
Compétences de rattachement (et justification)
- BC1.1 – Analyser des systèmes existants de traitement des données, de communication et/ou d’organisation de l’information, en mobilisant les sciences et technologies (mathématiques, physique et informatique) dans un but d’audit ou d’optimisation; Justification : Analyse de Systèmes de Communication Quantique : L'UE permet aux étudiants d'analyser les systèmes de communication quantique, tels que la distribution quantique de clés (QKD). Les étudiants étudient et évaluent les protocoles de communication quantique, identifiant leurs forces et leurs vulnérabilités en s'appuyant sur des principes physiques et des algorithmes mathématiques spécifiques à la mécanique quantique.
Intrication Quantique pour la Communication : L'UE examine comment les paires de photons intriqués sont utilisées dans les systèmes de communication pour garantir la sécurité des transmissions d'informations. Les étudiants apprennent à analyser ces systèmes pour en optimiser la fiabilité et la sécurité, en utilisant des concepts de la physique quantique tels que les corrélations non locales et l'intrication.
- BC5.1 – Modéliser mathématiquement une situation, des données, des phénomènes physiques dans le contexte du numérique; Justification : Modélisation des Phénomènes Quantique : L'UE intègre la modélisation mathématique des phénomènes physiques propres aux technologies quantiques, tels que l'oscillateur harmonique quantique, l'opérateur densité, et l'intrication des photons. Les étudiants apprennent à appliquer des équations différentielles, des matrices de densité, et d'autres outils mathématiques pour décrire le comportement des systèmes quantiques utiles pour des nouveaux systèmes de communication.
- BC8.2 – Modéliser et déterminer l'architecture logicielle et matérielle en intégrant des technologies, des composants matériels et logiciels avec différentes configurations; Justification : Modélisation des Systèmes de Détection : L'UE comprend la modélisation des dispositifs matériels tels que les détecteurs de photons et les sources de lumière intriquée. Les élèves apprennent à intégrer ces composants dans une architecture logicielle qui gère les états quantiques, avec une attention particulière à la minimisation des perturbations et à l'optimisation des performances.
Architectures pour les Réseaux Quantique : Les étudiants modélisent des architectures logicielles pour des réseaux de communication quantique, intégrant des composants matériels spécifiques aux technologies quantiques et optimisant les configurations pour différentes applications telles que la téléportation quantique et les mémoires quantiques.
effectifs minimal / maximal:
8/80Diplôme(s) concerné(s)
Pour les étudiants du diplôme Programme de mobilité des établissements français partenaires
PHY 101 Mécanique quantique
Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur
PHY 101 Mécanique quantique
Format des notes
Numérique sur 20Pour les étudiants du diplôme Programme de mobilité des établissements français partenaires
Vos modalités d'acquisition :
L’évaluation est basée est sur un examen final écrit pour évaluer les autres acquis d'apprentissage = CC.
Note = CC Validation pour Note >=10.
Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'ingénieur
Vos modalités d'acquisition :
L’évaluation est basée est sur un examen final écrit pour évaluer les autres acquis d'apprentissage = CC.
Note = CC Validation pour Note >=10.
- Crédits ECTS acquis : 2.5 ECTS
- Crédit d'UE partagées acquis : 2.5
Programme détaillé
Ce cours porte sur les nouvelles technologies quantiques, et vient dans la continuité les connaissances de mécanique quantique vue en première année (PHY101). Une introduction décrira les nouvelles technologies quantiques ainsi que leurs applications en calculs, métrologie, communication et simulation quantique. Nous conclurons le cours introductif par la définition d’un qubit ainsi que par des rappels de première année (1TH).
Le cours se scindera ensuite en deux parties. La première partie portera sur les connaissances de base de mécanique quantique (8TH). Nous commencerons par une description de systèmes quantiques à l’aide de la matrice densité, ainsi que par l’étude de la décohérence quantique dégradant les performances des technologies quantiques. Puis nous verrons l’oscillateur harmonique quantique, un système quantique central dans de nombreuses technologies quantiques. Nous compléterons également nos connaissances sur les photons, des démonstrations expérimentales de productions de paires de photons seront présentées en cours et verrons en détail les inégalités de Bell.
Dans une deuxième partie (5TH), nous traiterons des communications quantiques avec en particulier des protocoles de distribution de clés quantiques à partir de photons uniques ou intriqués en polarisation. Nous verrons la description de réseaux quantiques dont leur déploiement est en cours en France et en Europe. Pour la dernière séance, un examen écrit est prévu (1TH), puis un intervenant d’une start-up (1TH) ou d’une industrie viendra terminer le cours.
Mots clés
Communications quantiques, Optique quantique, paires de photons intriqués, oscillateur harmonique quantiqueMéthodes pédagogiques
Cours magistraux. Les concepts fondamentaux des technologies quantiques, tels que l'intrication des photons, la distribution quantique de clés (QKD), et l'oscillateur harmonique quantique, seront introduits lors de cours magistraux. Ces sessions se concentreront sur l'exposé théorique des principes et des phénomènes quantiques, ainsi que sur les méthodes mathématiques utilisées pour modéliser ces systèmes. Un module expérimental de génération de paires de photons intriqués est présenté en cours.Ressources : Diapositives de cours, polycopiés, et ouvrages de référence.
Travaux dirigés (TD) Les TD permettent aux étudiants d’approfondir les notions vues en cours en résolvant des problèmes plus complexes. Ils incluent des exercices de modélisation mathématique des systèmes quantiques, tels que la résolution de l'équation de Schrödinger pour des oscillateurs harmoniques et l'analyse des propriétés des opérateurs densité, la teleportation quantique, etc.
Support pédagogique multimédia
