Folder

France and the CNRS set sights on quantum

Medicine, civil engineering, telecommunications, artificial intelligence, etc. These are the areas that quantum mechanics could revolutionise in the coming years.

Cat-Qubits chip prototype
Cat-Qubits chip prototype

© Hubert RAGUET / Alice&Bob / LPENS / CNRS Images

View the media

The world's most powerful computers and supercomputers may soon be completely overtaken by a new generation of machines with extraordinary computing power, while incredibly accurate and sensitive quantum sensors could also expand the frontiers of what is possible in many different fields.

This emerging technological revolution is based on the laws of quantum mechanics, one of the greatest advances in physics of the 20th century. This theory describes phenomena at the scale of atoms, and allows a particle, atom or molecule to exist in different states simultaneously. France is proud of its historical achievements in this area, with several Nobel Prize and CNRS Gold Medal winners who have made significant advances in the field. This is precisely because France intends to maintain its position among the fierce international competition, that the government is launching a major Quantum Plan aimed at research, training and above all industry. All disciplines are involved in this national effort.

It is the perfect opportunity to immerse yourself in this mysterious world, where everything happens on an infinitely small scale, through our photo and video reports.

20160010_0010
Open media modal

Réglage de l’injection d'une fibre à cristal photonique par un laser femtoseconde (ultrarapide). Les différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) sont séparées en passant à travers un prisme à la sortie de cette fibre. Il est ainsi possible d'observer les couleurs du laser grâce à leur projection sur un écran. Expérience de métrologie quantique avec des peignes de fréquences.

Photo
20160010_0010
Réglage de l’injection d'une fibre à cristal photonique par un laser femtoseconde
20090001_0673
Open media modal

Cartographie d'un "chat de Schrödinger". De la lumière a été piégée dans une "boite à photons" (une cavité résonante micro-onde) pendant un temps assez long pour en déterminer l'état quantique. Sur cet état "chat de Schrödinger", on observe deux pics positifs correspondant aux composantes classiques du "chat" et, entre elles, une structure d'interférence oscillante, avec des valeurs négatives typiques d'un état non classique (en bleu). En observant l'évolution de cet état, on peut "disséquer"…

Photo
20090001_0673
Cartographie d'un "chat de Schrödinger". De la lumière a été piégée dans une "boite à photons" (une
Open media modal

Four scientists, Claude Cohen-Tannoudji (Laboratoire Kastler-Brossel, Paris), Sébastien Balibar (Laboratoire de physique statistique, Paris), Sylvie Vauclair (Laboratoire d'astrophysique de l'observatoire Midi-Pyrénées, Toulouse), and Thibault Damour (Département d'astrophysique relativiste et de cosmologie, Meudon) sum up the state of physics at the start of the 21st century and some of the challenges that face researchers: to connect the infinitely large and the infinitely small, to measure…

Video
948
What kind of physics in the 21st century?
20200090_0006
Open media modal

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…

Photo
20200090_0006
Installation d'une puce supraconductrice dans son porte échantillon (circuit imprimé)
Open media modal

Bruno Grandidier, a researcher with the IEMN (Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologies) in Lille, presents the operating principles and uses of the tunnel effect microscope. This microscope is used in the open air to study the surface of a graphite sample. For other materials which oxidize in air, such as silicon, researchers use a more sophisticated microscope which operates in an ultra-vacuum. The tunnel effect microscope also makes it possible to manipulate and…

Video
1180
Atoms at the end of the tunnel (The)
20160010_0002
Open media modal

Réglage de la forme spatiale d'un faisceau laser bleu de pompe. Il est utilisé pour le processus non-linéaire en cavité produisant des états quantiques. Un laser femtoseconde (ultrarapide) est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Ses raies sont utilisées comme canaux pour propager la lumière dans différents états quantiques. L’objectif est d‘augmenter les possibilités de calcul et de transmission de l’information, et d…

Photo
20160010_0002
Réglage de la forme spatiale d'un faisceau laser bleu de pompe
20160010_0005
Open media modal

Réglage d'un prisme et observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) qui sont séparées en passant à travers ce prisme, en sortie d’une fibre photonique. Il est ainsi possible d'observer les couleurs du laser grâce à leur projection sur un écran. Un laser ultrarapide est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Celui-ci peut être utilisé comme une règle très précise. Expérience de métrologie quantique…

Photo
20160010_0005
Réglage d'un prisme et observation des différentes couleurs du laser
20200091_0006
Open media modal

Table optique servant à caractériser et à sélectionner les nanotubes de carbone qui 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 une probabilité très…

Photo
20200091_0006
Table optique servant à caractériser les nanotubes de carbone
20160010_0007
Open media modal

Observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre) qui sont séparées en passant à travers un prisme, en sortie d’une fibre photonique. Il est possible d'observer ces couleurs grâce à leur dispersion sur le prisme et à la projection sur un écran. Un laser ultrarapide est composé d’une multitude de raies fines et régulières de fréquence temporelle (couleurs), comme un peigne. Celui-ci peut être utilisé comme une règle très précise. Expérience de métrologie quantique avec…

Photo
20160010_0007
Observation des différentes couleurs du laser (partie visible du spectre)
20160010_0016
Open media modal

Chambre d'ultravide dans laquelle sont refroidis des atomes de dysprosium. Un jet atomique est ralenti au moyen de la pression de radiation exercée par un laser résonnant sur une transition atomique dans le bleu. Les atomes sont ensuite pris dans un piège magnéto-optique utilisant des lasers proches d'une transition optique dans le rouge. Les scientifiques essaient dans cette expérience de créer les conditions de formation de particules exotiques, c’est-à-dire peu connues, les particules de…

Photo
20160010_0016
Chambre d'ultravide dans laquelle sont refroidis des atomes de dysprosium.
20160010_0020
Open media modal

Réglage en fréquence d'un laser rouge, obtenu par somme de fréquence de deux lasers infrarouges. Ce laser est utilisé pour le piégeage laser des atomes de dysprosium. Les scientifiques essaient dans cette expérience de créer les conditions de formation de particules exotiques, c’est-à-dire peu connues, les particules de Majorana. Pour cela, ils refroidissent des atomes de dysprosium, un métal à la structure électronique riche. Ces recherches pourraient être utilisées pour concevoir un futur…

Photo
20160010_0020
Réglage en fréquence d'un laser rouge, obtenu par somme de fréquence de deux lasers infrarouges
20160010_0023
Open media modal

Eléments optiques utilisés pour séparer et mettre en forme des faisceaux lasers qui permettront de refroidir et d’observer des atomes de dysprosium. Les scientifiques étudient l'influence des interactions entre moments magnétiques du dysprosium sur la condensation de Bose-Einstein et la superfluidité. Ils s'intéressent également à la génération de champs de jauge artificiels dans ces gaz atomiques, en vue de créer une phase superfluide topologique. Ils s'attendent à trouver dans ce système des…

Photo
20160010_0023
Eléments optiques utilisés pour séparer et mettre en forme des faisceaux lasers
20160010_0031
Open media modal

Expérience de spectroscopie à haute résolution de l'atome d'hydrogène : au premier plan, la source d'hydrogène (décharge rose). En arrière-plan, le laser d'excitation. La lumière laser envoyée sur un atome d’hydrogène permet de mesurer sa structure. La comparaison entre cette mesure et sa valeur théorique contribuera à déterminer des constantes fondamentales. C’est sur de telles constantes que s’appuiera en 2018 la redéfinition de quatre unités du système international : le kilogramme, le…

Photo
20160010_0031
Expérience de spectroscopie à haute résolution de l'atome d'hydrogène
20160010_0048
Open media modal

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.

Photo
20160010_0048
Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience refroidissant des vapeurs de lithium
20160010_0049
Open media modal

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.

Photo
20160010_0049
Discussion au poste de commande et d'analyse d'une expérience refroidissant des vapeurs de lithium
20160010_0052
Open media modal

Réglage 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.

Photo
20160010_0052
Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures
20160010_0053
Open media modal

Réglage 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.

Photo
20160010_0053
Réglage d'une expérience qui refroidit des vapeurs de lithium à de très basses températures
20160010_0057
Open media modal

Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

Photo
20160010_0057
Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
20160010_0058
Open media modal

Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

Photo
20160010_0058
Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
20160010_0060
Open media modal

Expérience d’optique quantique, dans laquelle un chercheur observe comment la lumière traverse la matière. Il peut s'agir de milieux complexes comme de la peinture ou un tissu biologique. C'est un dispositif de génération de paires de photons indiscernables, qui seront ensuite envoyées dans une fibre multimode. L'objectif à long terme est de faire évoluer les techniques d'imagerie médicale ou le transfert d'information.

Photo
20160010_0060
Expérience d’optique quantique permettant d'observer comment la lumière traverse la matière
20090001_0670
Open media modal

Cavité résonante micro-onde ("boîte à photons") à moitié montée. Seul le miroir supraconducteur inférieur est visible à l'image. Les photons micro-ondes se réfléchissent entre les deux miroirs supraconducteurs se faisant face et formant une cavité. Les quatre tiges servent à l'assemblage, elles sont entourées par quatre éléments piézoélectriques utilisés pour régler la distance entre les miroirs de la cavité. Ce dispositif permet de réaliser des expériences fondamentales de physique quantique.

Photo
20090001_0670
Cavité résonante micro-onde ("boîte à photons") à moitié montée. Seul le miroir supraconducteur infé
20090001_0671
Open media modal

Les deux miroirs supraconducteurs de la "boîte à photons" de l'Ecole Normale supérieure, dans laquelle les scientifiques ont enregistré la vie et la mort d'un photon unique. Ces miroirs sont en cuivre et recouverts par une mince couche de niobium. Ils sont refroidis à une température proche du zéro absolu. Cette expérience fait partie de la recherche fondamentale en physique quantique.

Photo
20090001_0671
Les deux miroirs supraconducteurs de la "boîte à photons" de l'Ecole Normale supérieure, dans laquel
20090001_1389
Open media modal

French physicist Serge Haroche has been awarded the 2012 Nobel Prize in Physics, jointly with US physicist David J. Wineland. The prize rewards their work on quantum optics and "groundbreaking experimental methods" for measuring and manipulating individual quantum systems. Serge Haroche, here with Igor Dotsenko, is the recipient of the 2009 CNRS Gold Medal, the highest French scientific award. He is a specialist in atomic physics and quantum optics. He is one of the founders of cavity quantum…

Photo
20090001_1389
French physicist Serge Haroche with Igor Dotsenko
20130001_1196
Open media modal

Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel, utilisé à la fois comme outil d'observation et de fabrication à l'échelle nanométrique. Le faisceau d'électrons permet en effet de visualiser des circuits nanométriques mais aussi d'écrire directement sur un échantillon recouvert de résine électro-sensible. Des circuits dédiés à la physique fondamentale, à l'information quantique, sont ainsi fabriqués puis caractérisés dans ce même équipement.

Photo
20130001_1196
Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel
20130001_1198
Open media modal

Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel, utilisé à la fois comme outil d'observation et de fabrication à l'échelle nanométrique. Le faisceau d'électrons permet en effet de visualiser des circuits nanométriques mais aussi d'écrire directement sur un échantillon recouvert de résine électro-sensible. Des circuits dédiés à la physique fondamentale, à l'information quantique, sont ainsi fabriqués puis caractérisés dans ce même équipement.

Photo
20130001_1198
Microscope électronique à balayage, dans une salle blanche du bâtiment Z de l'Institut Néel
20180055_0021
Open media modal

Réglage des miroirs de l'expérience BIARO au cours de laquelle une cavité optique à haute finesse est utilisée pour piéger et manipuler des atomes de rubidium froids et ultrafroids (température inférieure à 1 microkelvin). Il s'agit d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité (QED) dans laquelle est réalisée une transition de phase : des atomes froids passent à un condensat de Bose-Einstein. L'objectif est de réaliser des mesures quantiques avec une précision supérieure à celle…

Photo
20180055_0021
Réglage des miroirs de BIARO une expérience d'atomes de rubidium froids et ultrafroids
20180055_0022
Open media modal

Montage optique au sein de l'expérience BIARO au cours de laquelle une cavité optique à haute finesse est utilisée pour piéger et manipuler des atomes de rubidium froids et ultrafroids (température inférieure à 1 microkelvin). Il s'agit d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité (QED) dans laquelle est réalisée une transition de phase : des atomes froids passent à un condensat de Bose-Einstein. L'objectif est de réaliser des mesures quantiques avec une précision supérieure à celle…

Photo
20180055_0022
Montage optique au sein de BIARO une expérience d'atomes de rubidium froids et ultrafroids
20180069_0116
Open media modal

Interféromètre à atomes de l’expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des vibrations, ce dispositif sera, à terme, installé dans un laboratoire…

Photo
20180069_0116
Interféromètre à atomes de l’expérience MIGA
20180069_0118
Open media modal

Piège magnéto-optique à deux dimensions permettant de refroidir un jet d'atomes de rubidium dans l'expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des…

Photo
20180069_0118
Piège magnéto-optique à deux dimensions de l'expérience MIGA
20180069_0120
Open media modal

Vérification de l'asservissement en phase de deux lasers au moyen d'un analyseur de spectre pour l'expérience MIGA, dont l'objectif est de développer un nouveau type de détecteurs d’ondes gravitationnelles basé sur l’interférométrie atomique. Un banc optique permet de créer les faisceaux laser ralentissant les atomes qui sont ensuite lancés à la verticale dans une enceinte à vide, et effectuent un vol balistique, au cours duquel la mesure de gravité est réalisée. Afin de le protéger des…

Photo
20180069_0120
Vérification de l'asservissement en phase de deux lasers de l'expérience MIGA
20180069_0135
Open media modal

Prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Deux accéléromètres atomiques, permettant de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre, sont placés au sommet et à la base de l'installation. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d’isolation sous le dispositif réduit les bruits de vibration qui limitent la sensibilité de la…

Photo
20180069_0135
Prototype de gradiomètre
20180069_0136
Open media modal

Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Ce gradiomètre comprend deux accéléromètres atomiques placés à deux hauteurs différentes : celui qui est visible ici et un second en bas de l'installation, afin de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d…

Photo
20180069_0136
Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre
20180069_0137
Open media modal

Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre mesurant la variation de l’accélération de la pesanteur sur des atomes de rubidium en fonction de l’altitude. Deux accéléromètres atomiques, permettant de mesurer l’accélération d’atomes en chute libre, sont placés au sommet et à la base de l'installation. La variation d’accélération, ou gradiant, est obtenue en calculant la différence entre ces deux mesures. Une plateforme d’isolation sous le dispositif réduit les bruits de vibration qui limitent…

Photo
20180069_0137
Zone de piégeage d'un prototype de gradiomètre
20180069_0145
Open media modal

Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. Ces faisceaux vont scinder en deux un nuage d'atomes et superposer les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle. Si le véhicule équipé de ce gyromètre tourne autour de l'axe…

Photo
20180069_0145
Installation des faisceaux laser du gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip
20180069_0148
Open media modal

Gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. A partir d'un nuage d'atomes scindé en deux, un interféromètre superpose les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle. Si le véhicule équipé de ce gyromètre tourne autour de l'axe perpendiculaire au plan de ce…

Photo
20180069_0148
Gyromètre sur microcircuit à atomes froids GyrAChip
20180069_0149
Open media modal

Microcircuit à atomes, noyau d’environ 25 cm² du gyromètre GyrAChip (de l’anglais Gyrometer on an Atom Chip), élaboré dans l’objectif de créer un système de navigation inertielle sans GPS de quelques centimètres cubes. A partir d'un nuage d'atomes scindé en deux, un interféromètre superpose les deux nuages obtenus, qui vont se propager à une vitesse très précise sur deux chemins opposés, selon une architecture en cercle (créé par l'architecture de fils microfabriqués de ce microcircuit). Si le…

Photo
20180069_0149
Microcircuit à atomes du gyromètre GyrAChip
20180069_0166
Open media modal

Réglages du banc optique d’un gyromètre à atomes froids pour la mesure de vitesse de rotation. Ce banc génère différents lasers destinés à refroidir un nuage d’atomes, à le projeter à la verticale dans le gyromètre, en un vol balistique, au cours duquel ces atomes vont être interrogés pour réaliser de l’interférométrie atomique. Des boucliers magnétiques protègent l’installation des champs magnétiques extérieurs et une plateforme flottante l’isole autant que possible des vibrations du sol. Des…

Photo
20180069_0166
Réglages du banc optique du gyromètre à atomes froids pour la mesure de vitesses de rotation

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.