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Quantum physics in all its forms

Since the 20th century, quantum physics has enabled a series of technological innovations that have revolutionised our daily lives (transistor, laser, etc.). Nowadays, research focuses on quantum computers, simulators and sensors as well as spintronics.

Solid state quantum memory

Solid state quantum memory

© Sylvain BERTAINA/IM2NP/CNRS Images

Quantum computers are attracting growing interest because of their revolutionary potential, particularly in computing. Our computers and smartphones process pieces of information one by one in the form of bits, a unit which has only two values, 0 or 1. Qubits, or quantum bits, unlike classical bits, can be both 0 and 1 at the same time. This is the quantum superposition phenomenon, which allows quantum computers to process vast amounts of information all at the same time. Qubits also play a crucial role in the transmission of secure information: quantum entanglement (interactions of qubits linked together) and one of its applications, quantum cryptography (transmission of tamper-proof data), can ensure absolute confidentiality.

Quantum simulators are being developed to simulate complex physical systems, such as quantum materials, as conventional computers are not currently unable to resolve the equation systems that govern these systems.

Quantum sensors, however, use quantum properties to improve the sensitivity and precision of sensing devices used in medicine, telecommunications, etc. Extremely sensitive qubits allow physical quantities to be measured with unparalleled accuracy, opening up new prospects in the field of medical imaging for example.

Finally, spintronics is a branch of physics that looks at how the intrinsic spin (quantum property) of electrons can be used to store, handle and send information. Spintronic devices include ultra-dense magnetic data storage devices and quantum transistors.

Discover through images the extent of the research being done in quantum physics in CNRS laboratories.

Keywords: quantum physics, atoms, quantum mechanics, spintronics, quantum sensors, quantum simulators, quantum computers, qubits, quantum computing, spintronics

Le qubit au centre de l'image est une superposition de 2 états, spin up (rouge) et spin down (bleu). La sphère représente la protection du qubit contre son environnement qui a tendance à la détruire. Le qubit est la brique fondamentale de l’ordinateur quantique. Si un bit classique représente un état bien défini 0 ou 1, son homologue quantique peut se trouver à la fois dans l’état 0 et 1. Toutefois, cet état de superposition demeure très fragile et son environnement tend à détruire le qubit. L…

Cryostat (en noir) contenant les sources de photons uniques, appelées aussi sources de qubits photoniques, et la boîte QFiber (en bleu) qui sert d'interface entre le laser d'excitation, la source de photons dans le cryostat et le reste de l'expérience. Les deux sont connectés ensemble via une fibre optique monomode. La start-up Quandela, fondée en 2017 par Valérian Giesz, Niccolo Somaschi et Pascale Senellart (directrice de recherche CNRS), travaille sur ces qubits photoniques. Cette approche…

Serrage des vis pour fixer la source de photons uniques (qubits photoniques) dans la chambre d'un cryostat. La start-up Quandela, fondée en 2017 par Valérian Giesz, Niccolo Somaschi et Pascale Senellart (directrice de recherche CNRS), travaille sur ces qubits photoniques. Cette approche permet une exploitation simultanée de dizaines de qubits. Le qubit est l’unité de stockage de l’information qui indique la force de calcul des ordinateurs quantiques. La start-up fabrique des sources à base de…

Mesure de la puissance optique du laser dans une fibre optique en utilisant un puissancemètre. Dans cette fibre optique, les photons émis par une source de photons uniques non visible (qubits photoniques) dans un cryostat noir, sont collectés dans une fibre optique en utilisant un microscope confocal positionné au-dessus de la chambre du cryostat. Puis les photons uniques sont filtrés en séparant le laser qui a servi pour l'excitation optique de la source. Cette étape est réalisée dans la boîte…

A l'occasion de sa deuxième participation à VivaTech, le rendez-vous européen consacré à l'innovation technologique, le CNRS présente un échantillon de son savoir-faire dans la deeptech à travers différentes start-up issues de ses laboratoires. Plusieurs start-up françaises issues du CNRS sont investies dans la course aux ordinateurs quantiques. Parmi elles, Quandela développe un processeur pour le calcul quantique, où l'information est traitée par des photons grâce à une…

Prototype de puce Cat-Qubits mise au point par la start-up Alice & Bob qui développe un ordinateur quantique à Qubits à auto-correction (appelé Cat-Qubits). Le qubit est l’unité de stockage de l’information qui indique la force de calcul des ordinateurs quantiques. Alice & Bob a été cofondée en février 2020 par Théau Peronnin, président, issu du Laboratoire de physique de l’ENS Lyon et Raphaël Lescanne, directeur technique, issu du Laboratoire de physique de l’ENS Paris. Elle vise à…

Prototype de puce Cat-Qubits mise au point par la start-up Alice & Bob qui développe un ordinateur quantique à Qubits à auto-correction (appelé Cat-Qubits). Le qubit est l’unité de stockage de l’information qui indique la force de calcul des ordinateurs quantiques. Alice & Bob a été cofondée en février 2020 par Théau Peronnin, président, issu du Laboratoire de physique de l’ENS Lyon et Raphaël Lescanne, directeur technique, issu du Laboratoire de physique de l’ENS Paris. Elle vise à…

Installation d'une puce supraconductrice dans son porte échantillon (circuit imprimé) et vérification de l'alignement des connecteurs. Ce prototype de puce Cat-Qubits est mis au point par la start-up Alice & Bob qui développe un ordinateur quantique à Qubits à auto-correction (appelé Cat-Qubits). Le qubit est l’unité de stockage de l’information qui indique la force de calcul des ordinateurs quantiques. Alice & Bob a été cofondée en février 2020 par Théau Peronnin, président, issu du…

L'une des possibilités pour réaliser des mémoires quantiques est d'utiliser un cristal d'une grande pureté et d'y incorporer des spins (flèches rouges) qui en deviennent des qubits. Dans certaines conditions il est même possible de faire communiquer les spins par l’intermédiaire du réseau. Cette image a été réalisée avec le logiciel 3D Blender.

Structure et voies d’interaction d’échange du cluster anionique de l’aimant moléculaire V15. Les molécules de type V15 contiennent 15 ions de vanadium dont les spins sont fortement couplés par des atomes d’oxygène. Cette structure est présentée en trois dimensions. Elle s’inscrit dans un contexte de recherches internationales à propos des systèmes quantiques des aimants moléculaires. En effet, un système quantique a la capacité de se trouver dans une superposition de deux états différents, à…

Film for consultation only

This film derives from the Nanosciences and Nanotechnologies DVD. Physicist Etienne Klein traces the history of quantum physics and shows how it gradually forced scientists to question seemingly established notions in classical physics. In particular, classical physics distinguishes two clearly separated categories of objects: particles and waves, whereas a quantum object may behave alternatively as a wave or as a particle. One of the controversial theoretical consequences of quantum…

Michel Burnier, a sociologist, has interviewed twenty scientists from various disciplines about the future of science and culture. The number 9 of this series is dedicated to Etienne Klein, a physicist, a specialist in materials sciences and in quantum theory, and an epistemology professor at the Ecole Centrale of Paris.

The IFRAF gathers six laboratories specialized in the cold atoms manipulation. Since 1984, this physics domain has considerably developed and its applications have increased. This DVD contains two films which explain, in an entertaining way, what are the cold atoms and present one application: the atomic clock.

Only available for non-commercial distribution

As a passionate researcher and teacher, Jean Dalibard has never stopped playing with light and matter, which for him, are "the fundamentals of the physical world". He contributed to the emergence and influence of a new discipline, cold atoms. Throughout his career, including thirty years at the CNRS, this eminent researcher has distinguished himself by the originality of his approach. His theory and experiments are at the heart of atomic physics and radiation research. …

Jean Dalibard, physicien lauréat de la médaille d'or du CNRS 2021 avec Chloé Maury et Brice Bakkali-Hassani, autour de la table optique d’une salle d’expérimentation du laboratoire Kastler-Brossel (LKB). Les deux doctorants et Jean Dalibard discutent de l’expérience en cours (condensat de Bose-Eistein). Distingué pour ses travaux pionniers en physique de la matière quantique ultra-froide, Jean Dalibard a développé au sein du LKB (CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Collège de France) un parcours…

Salle blanche dans laquelle sont fabriquées les puces destinées à recevoir les nanotubes de carbone. Ils seront ensuite intégrés dans un processeur utilisé pour développer un ordinateur quantique. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité, grâce à un matériau élémentaire, le nanotube de carbone. Ce matériau ayant une interface minimale avec son environnement, le qubit de ce processeur a…

Manipulation des puces sur lesquelles vont se synthétiser les nanotubes de carbone, à partir de méthane et grâce à un catalyseur. Elles vont ensuite être placées dans un réacteur servant à produire ces nanotubes de carbone. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité, grâce à un matériau élémentaire, le nanotube de carbone. Ce matériau ayant une interface minimale avec son environnement,…

Déchargement d'une puce quantique après la déposition de nanotubes de carbone sur une puce électronique "nue". Cette opération sensible est réalisée dans une chambre à vide afin de préserver les nanotubes de carbone et de les protéger des altérations. Cette puce est intégrée dans un processeur utilisé pour développer un ordinateur quantique. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité,…

Réacteur dans lequel sont synthétisés les nanotubes de carbone à partir de méthane et grâce à un catalyseur. Ils seront ensuite intégrés dans un processeur utilisé pour développer un ordinateur quantique. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité, grâce à un matériau élémentaire, le nanotube de carbone. Ce matériau ayant une interface minimale avec son environnement, le qubit de ce…

Préparation du dispositif électronique qui contiendra la puce quantique conçue à partir de nanotube de carbone. Il sera ensuite placé dans le cryostat, un instrument de physique permettant d’obtenir des températures très froides, où la puce va être testée. La start-up C12 Quantum Electronics, cofondée en janvier 2020 par Matthieu et Pierre Desjardins, développe des processeurs quantiques de haute fidélité, grâce à un matériau élémentaire, le nanotube de carbone. Ce matériau ayant une interface…

The physicist Alain Aspect, a director at the Laboratory Charles Fabry, within the Institute of Optics located in Orsay, has received the CNRS Gold medal in 2005 for his works on quantum optics and atomic physics. In this film, he recounts his career and describes his researches. He proved the non-validity of the Bell ' s theorem.

Dispositif de mesures contenant un nano-oscillateur spintronique placé au centre de l'entrefer d'un électroaimant. Il est composé d'un nanopilier d'environ 200 nm de diamètre contenant un empilement de deux couches magnétiques ultrafines, séparées par une couche isolante. Le champ magnétique appliqué permet d'ajuster sa réponse radiofréquence. Au-delà de leur très faible taille, ces nano-oscillateurs spintroniques possèdent une forte accordabilité en fréquence. Cette propriété, associée à leur…

Cyrile Deranlot operates a vacuum evaporator handling device. This equipment, coupled to a cathode sputtering machine, is used to produce magnetic nanostructures for spintronics. In particular, this system was used for development of the gold and tungsten alloy resulting from research undertaken by the CNRS/Thales Unité Mixte de Physique. This innovative alloy is now exploited by the DAUMET start-up, which has christened it SpinD Gold. Its innovative (colour, lustre, density, cost) and…

Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures, proches du zéro absolu. Comme l'électron, un des isotopes présent dans ces vapeurs est un fermion. L'expérience permet d'étudier les gaz de fermions ultrafroids, dont les étonnantes propriétés ne s’expliquent que grâce à la mécanique quantique. Les scientifiques les étudient pour comprendre une grande variété de systèmes, qui vont des métaux aux étoiles à neutrons.

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Portrait de Omar Fawzi, lauréat de la médaille de bronze 2019 du CNRS. Enseignant-chercheur spécialisé en théorie de l'information quantique au Laboratoire d'Informatique du parallélisme (DR07).

Arnaud Landragin (in the background), winner of the CNRS 2020 Innovation Medal, alongside Leonid Sidorenkov (in the foreground) near a cold atoms source.

Source d’atomes froids en cours de caractérisation faisant partie du projet MIGA (antenne gravitationnelle à ondes de matière) auquel participe l'équipe d'Arnaud Landragin et qui sera positionné au Laboratoire souterrain bas bruit (LSBB). Arnaud Landragin est lauréat de la médaille de l’Innovation du CNRS 2020. Directeur de recherche et directeur du laboratoire Systèmes de référence temps-espace (SYRTE, CNRS/Sorbonne Université/Observatoire de Paris/LNE), il est récompensé pour ses travaux dans…

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Portrait de Valentina Parigi, lauréate de la Médaille de Bronze 2020 du CNRS, enseignante-chercheuse au sein de l'équipe Optique quantique multimode du Laboratoire Kastler Brossel et à Sorbonne Université, spécialiste des réseaux quantiques complexes.

Onde quantique d'un atome froid (en rouge) placée dans un paysage désordonné (en gris). Elle reste localisée dans une région de taille finie grâce aux interférences quantiques, alors que dans une situation identique, une particule classique s'échapperait à l'infini.

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Portrait d'Anaïs Dréau, médaille de bronze 2022 du CNRS, chargée de recherche CNRS en physique au Laboratoire Charles Coulomb dans l'équipe Technologies quantiques à l'état solide, spécialiste des spectroscopies optiques et de spin de défauts atomiques ponctuels dans les matériaux semi-conducteurs Anaïs Dréau explore et exploite la nature quantique de défauts uniques dans les matériaux semi-conducteurs qui peuvent se révéler utiles dans le domaine des technologies quantiques…

Alignement des différents éléments optiques d'un microscope confocal. Il est utilisé pour analyser la statistique de clignotement d'une boîte quantique, un nanocristal de semi-conducteur. Sa petite taille lui confère des propriétés optiques directement liées à un effet quantique dû au confinement des charges. Lorsqu'elle est excitée en continu par un laser, la boîte quantique a la propriété atypique de clignoter. L'analyse statistique des périodes allumées et éteintes permet de mieux comprendre…

Transistor à effet de camp (FET) basé sur des hétérostructures Van der Waals de matériaux bidimensionnels, vu en microscopie. Ce composant pourrait représenter une solution durable et fiable pour la récupération d'énergie en microélectronique. La nanostructuration sur les plaques de graphène (en magenta) améliore considérablement l'efficacité de la conversion d'énergie par effet thermoélectrique de la structure. Cette image a participé au prix de l'image Art & Science C'Nano 2023, dans la…

Nanowagons connectés en série sur un guide d’onde RF en or, sur un dispositif ultrabasse consommation d’électronique de spin, exploitant de nouveaux matériaux bidimensionnels comme le graphène. Dans chacun d’eux, un matériau ferromagnétique, le cobalt, est utilisé pour pomper un courant de spin pur dans une fine couche de graphène, où il va se propager. Il est ensuite converti en courant de charge via l’Effet Hall de Spin Inverse dans un barreau de palladium. Le courant de charge de tous les…

CNRS Images,

Our work is guided by the way scientists question the world around them and we translate their research into images to help people to understand the world better and to awaken their curiosity and wonderment.