This winter term, the Institute for Quantum Computing (IQC) welcomed seventeen elementary school classes to our Institute to learn about quantum information science and technology, as well as ion trapping.
These classes included students between grades three and six from across Waterloo Region. To begin their visit to IQC, students were asked about their relationship with quantum science, and what they thought quantum physics meant. Some students related quantum to references in their favourite superhero movies, and others hypothesized that quantum was a force that held small objects together. Following this, the students were shown a live demonstration of charged particle trapping, as an introduction to one method of harnessing quantum properties into information-storing bits, known as qubits, which are being studied for future quantum computers.
Lauren Brown, IQC’s Outreach and Education Research Assistant and a second-year student studying physics at the University of Waterloo led these class visits. She explained that quantum mechanics is a branch of physics that describes how our universe works at its smallest scale. Brown liked to ask students about the smallest thing they could name, and their responses often varied from microorganisms to air.
“I really love engaging with the young students,” says Brown. “Quantum computing can sometimes sound intimidating at first, which is why I like to ask students about topics that are fun and interesting, like using computers, and rubbing balloons on our hair! I hope students walk away feeling excited about science, and less intimidated by technical words like electrostatic or oscillations.”
A highlight of the student visits included a demonstration of suspending charged dust particles in real-time. Ion trapping is a specific approach to quantum computing, using electric fields to contain charged particles. While quantum computers use individual charged ions, the demonstration trapped charged clusters of powder using the same tool, called a quadrupole ion trap. Trapped ion quantum computing is the research focus of IQC faculty members Dr. Crystal Senko and Dr. Kazi Rajibul Islam, both also professors in Waterloo’s Department of Physics and Astronomy. Islam, whose research group designed the model ion trap, is the principal investigator for IQC’s Quantum Information with Trapped Ions (QITI) Lab, where similar techniques are used to trap individual ytterbium ions. The model, which replicates the mechanics involved in a real-world ion trap, includes a camera which broadcasted the dust capturing process to a connected monitor, allowing the students to see what happened inside the experimental demonstration.
“The dust trap is a relatively inexpensive demo and doesn’t need expensive optics, lasers, or electronics and yet you can give an accurate demonstration of ion trapping physics,” says Lewis Hahn, a master’s student at IQC and the Department of Physics and Astronomy at Waterloo, and one of several graduate students in Islam’s lab involved in the dust trap development. “It does a great job of demonstrating the physics of ion trapping to kids and adults in a simple and engaging way.”
The dust trapping demo is popular not only with elementary student visitors, but also across a variety of audiences, including undergraduate students, and members of the community during public events. Specifically, Waterloo physics students can choose to use the setup in their upper year lab courses and it is a part of the curriculum for IQC’s Undergraduate School on Experimental Quantum Information Processing and Quantum School for Young Students.
“By introducing this exciting technology to students of every age, we hope to inspire all learners to pursue their interests in science, and spark curiosity in quantum mechanics and quantum computing!” says Brown.
The elementary school visits to IQC are part of a larger program called “Kids on Campus”, which provides students with opportunities to see guest speakers and engage in hands-on activities focused on science, technology, engineering, and mathematics (STEM). Organized by Waterloo’s Engineering Outreach, the classes in this program also visit other stops on Waterloo campus, including Waterloo’s RoboHub and the Sedra Student Design Centre. These visits are sponsored by the University of Waterloo’s Faculty of Engineering, Google Tides, Actua and SNC-Lavalin.
Vulgarisation scientifique : l’IQC accueille des élèves du primaire
Cet hiver, l’Institut d’informatique quantique (IQC) a accueilli dix-sept classes d’écoles primaires en son sein pour offrir des formations sur la science et la technologie de l’information quantique, ainsi que sur le piégeage d’ions.
Dans ces classes, on comptait des élèves de la troisième à la sixième année provenant de toute la région de Waterloo. À leur arrivée à l’IQC, on demandait aux élèves ce qu’ils connaissaient de la science quantique, et s’ils savaient ce qu’était la physique quantique. Plusieurs élèves parlaient de leurs films de superhéros préférés, et d’autres émettaient l’hypothèse que la quantique était une force qui retenait les petits objets ensemble. Ensuite, on faisait aux élèves une démonstration en direct du piégeage d’une particule chargée pour leur présenter une des méthodes employées pour exploiter les propriétés quantiques sous la forme de bits de stockage d’information, ou bits quantiques (qubits), qui sont étudiés pour les futurs ordinateurs quantiques.
C’est Lauren Brown, assistante de recherche pédagogique et de vulgarisation à l’ICQ et étudiante de deuxième année à l’Université de Waterloo, qui animait ces visites. Elle expliquait aux enfants que la mécanique quantique était une branche de la physique qui décrit le fonctionnement de l’univers dans l’infiniment petit. Lauren aimait aussi leur demander quelle était la plus petite chose qu’ils connaissaient, et leurs réponses allaient souvent des microorganismes à l’air.
« J’aime vraiment m’impliquer auprès des jeunes élèves. Comme l’informatique quantique peut être intimidante au premier abord, j’aime leur poser des questions sur des sujets amusants et intéressants, comme les ordinateurs ou frotter un ballon contre ses cheveux. J’espère qu’ils ressortiront d’ici avec une image positive de la science, et qu’ils seront moins intimidés par des termes techniques comme “électrostatique” ou “oscillations” », dit Lauren.
L’un des moments clés de cette visite était notamment la démonstration en temps réel de particules de poussière chargées en suspens. Le piégeage d’ions est une approche propre à l’informatique quantique, qui se sert des champs électriques pour contenir des particules chargées. Bien que les ordinateurs quantiques utilisent des ions individuels chargés, pour la démonstration, nous avons piégé des amas de poudre en utilisant le même outil, soit un piège ionique quadripolaire. L’informatique quantique avec des ions piégés est l’objet des travaux des professeurs Crystal Senko et Kazi Rajibul Islam de l’IQC, qui enseignent également tous deux au Département de physique et d’astronomie de l’université. Le professeur Islam, dont le groupe de recherche a conçu un modèle de piège à ions, est le chercheur principal du laboratoire d’informatique quantique avec des ions piégés (QITI) de l’IQC où des techniques similaires sont utilisées pour piéger des ions individuels d’ytterbium. Le modèle, qui reproduit la mécanique d’un vrai piège à ions, comporte une caméra qui diffusait le processus de piégeage de la poussière sur un moniteur connecté, permettant aux élèves de voir ce qui se passait durant l’expérience.
« La démonstration du piège à poussière est relativement abordable et ne requiert ni matériel optique, ni lasers, ni appareils électroniques coûteux, et permet quand même de démontrer exactement le fonctionnement de la physique du piégeage d’ions. C’est une excellente façon de montrer ce procédé aux enfants et aux adultes de façon simple et participative », explique Lewis Hahn, étudiant de maîtrise au Département de physique et d’astronomie de l’IQC à Waterloo, et l’un des étudiants diplômés du laboratoire du professeur Islam impliqué dans le développement du piège à poussière.
Cette démonstration n’est pas populaire seulement auprès des jeunes visiteurs du primaire; elle fascine aussi un public plus large, dont les étudiants de premier cycle et les membres de la communauté lors d’événements publics. Plus précisément, les étudiants en physique de l’Université de Waterloo peuvent choisir d’utiliser ce montage dans leurs cours de laboratoire avancés, et cela fait même partie du programme de formation de l’École de 1er cycle sur le traitement quantique expérimental de l’information et de l’École de physique quantique pour jeunes élèves à l’IQC.
« En faisant connaître cette technologie palpitante aux étudiants de tous les âges, nous espérons encourager les apprenants à concrétiser leurs intérêts pour la science et leur donner envie d’en savoir plus sur la mécanique et l’informatique quantiques! » s’exclame Lauren Brown.
Ces visites d’écoles primaires à l’IQC font partie d’un programme plus général appelé « Kids on Campus », qui offre aux étudiants la possibilité de voir des conférenciers invités et de participer à des activités pratiques qui touchent les sciences, la technologie, l’ingénierie et les mathématiques (STIM). Ce programme de l’Université, organisé par Engineering Outreach, permet également aux classes de visiter d’autres lieux du campus, comme le RoboHub et le Sedra Student Design Centre. Ces visites sont commanditées par la Faculté de génie de l’Université de Waterloo, Google Tides, Actua et SNC-Lavalin.