Institute for Quantum Computing grad receives prestigious Faculty of Science medal
Institute for Quantum Computing (IQC) graduate Dr. Shayan Majidy is one of the recipients of this year’s W.B. Pearson Medal, awarded by the University of Waterloo’s Faculty of Science, which honours creative research presented in students’ theses.
Under the supervision of IQC Faculty Dr. Raymond Laflamme, professor, Department of Physics and Astronomy, Majidy’s research focused on quantum thermodynamics—specifically, what happens when scientists lift the assumption that measuring some of a system’s properties doesn’t change its other properties.
“Across physics, there is often an implicit assumption that conserved quantities—such as energy or number of particles—commute with one another. This means we can measure one property without disturbing the other. Like how measuring the temperature of a cup of coffee doesn’t change how much coffee is in the cup. In reality, conserved quantities don’t necessarily commute. My thesis looked into what happens physically when we lift that assumption.”
- Dr. Shayan Majidy, IQC alumni
Majidy says his PhD thesis contributed to understanding these dynamics, but there are still many open questions.
Building tools as fundamental as the microscope
Majidy’s expertise in quantum information grew out of a happy accident. While an undergraduate student at the University of Guelph, he signed up for a mathematics course and its title was vague enough that he didn’t know it focused on quantum information theory.
His initial excitement about quantum mechanics — like particles existing in multiple states at once (superposition) and measuring one particle can instantly determine the state of the other, no matter the distance between them (entanglement)— paled in comparison to the passion he developed after realizing the field’s true potential.
“The idea that we can use quantum computers to simulate quantum physics—and the impact that could have on the world—blew my mind,” says Majidy. “If the world is fundamentally quantum mechanical, then as long as we are advancing science, we are going to want to understand how quantum systems work. To me, building the tools to do that feels as fundamental as building the microscope.”
He counts Laflamme and his co-advisor from the University of Maryland, Nicole Yunger Halpern, as his key mentors.
From right to left, Majidy with Raymond Laflamme and Nicole Yunger Halpern, whom he counts as his key mentors.
“I wouldn’t have been awarded this honour without their support throughout my time at IQC,” Majidy says. “Nicole was an essential mentor who took me under her wing and introduced me to quantum thermodynamics. Ray never shot down an idea. He would always respond to my ideas with ‘Yes, and.’”
Laflamme’s ‘Yes, and’ made it possible for Majidy to write the book Building Quantum Computers while still a graduate student. Co-authored by Laflamme and IQC faculty Dr. Christopher Wilson, professor, Department of Electrical and Computer Engineering, the book is now used to teach quantum computing principles at the undergraduate and graduate level at universities in Canada and the United States.
“I think IQC is the only place in the world where a graduate student could write a textbook on quantum computing hardware. The institute is so interdisciplinary with faculty whose work spans theory and hardware. I can read about a platform, run over to someone’s lab to ask a million questions, and then go back to reading.”
- Dr. Shayan Majidy.
Majidy is now a Banting postdoctoral fellow at Harvard University co-supervised by Michael Gullans and Mikhail Lukin. These groups are developing scalable and reliable (fault tolerant) quantum computers. But he says he wants to eventually return to Canada for research or teaching.
“Throughout my PhD studies I was in awe of so many of my peers, especially at IQC which attracts such amazing, talented graduate students from all the top schools around the world,” Majidy says. “It is really special getting the medal knowing I was among so many great people.”
Un diplômé de l’Institut d’informatique quantique reçoit une prestigieuse médaille de la Faculté des sciences
Par Naomi Grosman
Shayan Majidy, diplômé de l’Institut d’informatique quantique (IQC), est l’un des récipiendaires de cette année de la médaille W.B. Pearson, décernée par la Faculté des sciences de l’Université de Waterloo pour récompenser la créativité de la recherche présentée dans les thèses des étudiants.
Sous la supervision de Raymond Laflamme, professeur au Département de physique et d’astronomie, Shayan Majidy a étudié la thermodynamique quantique, et plus précisément ce qui se passe lorsque les scientifiques lèvent l’hypothèse selon laquelle la mesure de certaines propriétés d’un système ne change pas ses autres propriétés.
« En physique, on pose souvent implicitement comme hypothèse que les quantités conservées, telles que l’énergie ou le nombre de particules, sont commutatrices, c’est-à-dire qu’on peut mesurer une propriété sans modifier l’autre. Par exemple, mesurer la température d’une tasse de café ne devrait pas changer la quantité de café contenue dans la tasse. En réalité, les quantités conservées ne commutent pas nécessairement. Ma thèse portait sur ce qui se passe physiquement lorsque nous levons cette hypothèse »,
explique Shayan Majidy, diplômé de l’IQC.
Selon le diplômé, sa thèse de doctorat a aidé à comprendre ces dynamiques, mais il reste encore beaucoup de questions sans réponse.
Créer des outils aussi fondamentaux que le microscope
L’expertise de Shayan Majidy en matière d’information quantique est née d’un heureux accident. Alors qu’il étudiait au baccalauréat à l’Université de Guelph, il s’est inscrit à un cours de mathématiques dont le titre ne disait pas clairement qu’il portait sur la théorie de l’information quantique.
Son enthousiasme initial pour la mécanique quantique – du fait que les particules existent dans plusieurs états à la fois (superposition) et que la mesure d’une particule peut déterminer instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare (intrication) – n’était rien en comparaison de la passion qu’il a développée après avoir compris le véritable potentiel du domaine.
« L’idée que des ordinateurs quantiques puissent simuler la physique quantique – et l’impact que cela pourrait avoir sur le monde – m’a époustouflé, affirme le diplômé. Si le monde est fondamentalement quantique, alors tant que nous ferons progresser la science, nous tenterons de comprendre comment fonctionnent les systèmes quantiques. Pour moi, la mise au point des outils nécessaires pour y parvenir me semble aussi fondamentale que l’invention du microscope. »
Il compte le professeur Laflamme et sa codirectrice de l’Université du Maryland, Nicole Yunger Halpern, parmi ses principaux mentors.
« Je n’aurais pas reçu cet honneur sans leur soutien tout au long de mon parcours à l’IQC. Nicole a été une mentore essentielle qui m’a pris sous son aile et m’a initié à la thermodynamique quantique. Ray n’a rejeté aucune de mes idées; il y répondait toujours par “Oui, et…”. »
Le « Oui, et… » du professeur Laflamme a permis à Shayan Majidy d’écrire le livre Building Quantum Computers alors qu’il étudiait encore aux cycles supérieurs. Coécrit par Raymond Laflamme et Christopher Wilson, professeur au Département de génie électrique et informatique, l’ouvrage est maintenant utilisé pour enseigner les principes de l’informatique quantique au premier cycle et aux cycles supérieurs dans les universités du Canada et des États-Unis.
« Je pense que l’IQC est le seul endroit au monde où un étudiant de deuxième cycle peut écrire un manuel sur l’équipement utilisé en informatique quantique. L’Institut est tellement interdisciplinaire que les recherches vont de la théorie à l’équipement. Je peux me renseigner sur une plateforme, courir jusqu’au laboratoire d’une collègue pour lui poser un million de questions, puis revenir à ma lecture. »
-se réjouit Shayan Majidy.
Le diplômé est maintenant titulaire d’une bourse postdoctorale Banting à l’Université Harvard, où il est cosupervisé par Michael Gullans et Mikhail Lukin. Les groupes de ces chercheurs développent des ordinateurs quantiques évolutifs et fiables (tolérants aux pannes). Mais Shayan Majidy affirme qu’il veut éventuellement revenir au Canada pour faire de la recherche ou enseigner.
« Tout au long de mes études de doctorat, j’ai été impressionné par beaucoup de mes pairs, en particulier à l’IQC, qui attire des étudiants diplômés si incroyables et talentueux de toutes les meilleures écoles du monde. C’est vraiment spécial de recevoir la médaille en sachant que je travaillais aux côtés de tant de gens formidables. »