Industrie et Technologies : Vous avez été désignée « Jeune femme scientifique de l’année » par le jury de la 21e édition du Prix Irène Joliot-Curie pour vos méthodes de contrôle des systèmes quantiques. Quel est ce domaine de recherche ?
Nina Amini : Les systèmes quantiques ouverts, plus réalistes que les systèmes fermés, interagissent avec leur environnement, et subissent une décohérence. Or, la cohérence doit être préservée pour que l’on puisse exploiter, dans les qubits, des propriétés quantiques telles que l’intrication et la superposition d’état. Mais les mesures introduisent également des perturbations. L’objectif est de trouver une méthode de contrôle robuste qui protège les états quantiques.
Comment avez-vous débuté sur le sujet ?
Diplômée de l’école Polytechnique en 2008 puis entrée en quatrième année à l’Ecole nationale de la statistique et de l’administration économique (ENSAE), j’ai suivi un parcours en mathématiques appliquées puis effectué un stage au Centre automatique et systèmes (Mines ParisTech), avec Pierre Rouchon et Mazyar Mirrahimi. Lesquels collaboraient avec l’équipe de Serge Haroche (prix Nobel de physique en 2012, ndlr) au laboratoire Kastler Brossel. Il était déjà question de stabiliser l’état d’une cavité électrodynamique quantique. Le sujet, nouveau, mélangeait les disciplines qui m’intéressent toujours : les mathématiques et la physique quantique. Je suis restée avec ces chercheurs pour effectuer ma thèse.
Qu’avez-vous accompli à l’époque ?
Dans un contexte expérimental, j’ai travaillé sur le contrôle de cette cavité grâce à une méthode mathématique basée sur les théories du contrôle et des probabilités. Quand on mesure le système, on connaît sa dynamique et on peut appliquer une loi de contrôle pour stabiliser les états quantiques. L’idée est d’obtenir un nombre précis et déterministe de photons dans cette cavité, sinon on observe une convergence du système vers un état aléatoire. Cette méthode de contrôle a été mise en oeuvre par l’équipe de Serge Haroche et publiée dans Nature. C’était la première expérience faisant intervenir une stratégie de contrôle basée sur la mesure.
Vous faites également mention d’une autre méthode sans mesure…
C’est une stratégie assez récente, qui consiste à contrôler le système quantique par un contrôleur quantique, via l’hamiltonien d’interaction (opérateur mathématique essentiel en physique quantique, ndlr). J’ai pu l’explorer lors de deux post-doctorats successifs : le premier à l’Université nationale d’Australie, avec le théoricien Matthew James, le second à l’université de Stanford, avec le physicien-expérimentateur Hideo Mabuchi. J’ai ainsi pu acquérir des connaissances sur ces deux stratégies, pendant et après ma thèse.
Aujourd’hui, quel est l’apport de vos travaux ?
Nous avons obtenu des résultats quant à l’estimation et la stabilisation d’un système quantique, grâce à des rétroactions basées sur la mesure, et montré sa convergence exponentielle vers un état cible prédéterminé. Ainsi, on réussit à mettre au point un système plus robuste face aux imperfections expérimentales.
Quels sont vos projets de recherche ?
J’étudie sur le long terme le développement de la théorie du contrôle quantique pour répondre aux exigences des différents supports technologiques de qubits, comme la photonique ou les supraconducteurs. C’est un domaine interdisciplinaire, d’où l’intérêt de mettre en place des collaborations, avec des mathématiciens, physiciens, ingénieurs et expérimentateurs de divers horizons. C’est l’objet du projet Q-Coast, financé par l’Agence nationale de recherche (ANR). Je le coordonne avec cette passion de mélanger les outils mathématiques et de créer de nouvelles méthodes adaptées à tout type de support technologique.
