Kimia Mohammadi, a student at the Institute for Quantum Computing (IQC) is the recipient of the Dean of Science award. This award is given to a master's student in each department in recognition of outstanding academic performance.
Kimia shares her thoughts on receiving this prestigious award, she discusses her research interests and her research aspirations for the future.
- Can you explain the research that was conducted for your master’s thesis?
My master’s thesis investigates the design of an 8-inch transceiver telescope capable of both transmitting and receiving quantum signals at 785 nm, as well as classical communications at 980 nm and 1550 nm, with higher efficiency than similar commercial options. This telescope is aimed to be one of the quantum ground stations that will test Quantum Key Distribution (QKD) protocols and other communication schemes with the Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat), once it is launched in 2024. This mission is a collaboration between multiple Canadian and international science teams, which is funded by the Canadian Space Agency (CSA) and is working towards enabling long-distance quantum communications.
In my thesis research, I designed the optical and mechanical parts of a refractive telescope that has the optimal performance for free-space optical communication at our desired wavelengths. The lens was designed based on a model we developed in the group, which simulates the atmospheric turbulence and optics imperfections to optimize the lens specifications for both quality and manufacturing costs. The mechanical parts were either built by the physics machine shop or purchased commercially to provide maximum stability and precision. Finally, all parts were assembled and characterized in our lab to be installed in our observatory dome on the roof of the RAC (Research Advancement Center) building for the upcoming experiments.
- What is the importance of your research?
The idea of building a custom-designed telescope originated from the fact that purchasing a commercial one was not a feasible option for several reasons. Firstly, commercial telescopes are mostly designed for astronomical purposes and do not have the required performance for optical communications in Near Infrared. Secondly, due to the complexity of manufacturing big lenses, large aperture telescopes are often reflective. But the secondary mirror of the reflective telescopes blocks portions of the beam, increasing the link loss, which is not favourable when working with low-power beams and lossy propagation mediums such as the atmosphere. More importantly, as we use polarization encoded photons as the qubits, the optics of the telescope must have minimum birefringence effects to preserve the polarization of the transmitted beam. Such high-quality optics are not budget-friendly, particularly when it comes to large lenses. However, we were able to analyze the impacts of the atmosphere and the lens imperfections on the transmitted wavefront and determine the lens specifications to reduce the costs by avoiding unnecessary fabrication procedures. Moreover, we installed motorized tip/tilt mirrors inside the telescope to automate the alignments and enhance the precision in calibration and detection of the beam.
Overall, the mentioned features of the telescope along with the results of our preliminary tests on measuring the wavefront error and polarization of the transmitted beam distinguish our custom-designed transceiver from other commercial telescopes and anticipate higher efficiency in optical communications.
- What challenges did you face during your master's?
I started my master’s program at IQC in January 2019, and joined Professor Thomas Jennewein’s group in my 4th term of my master’s. Not long after, the pandemic hit, and we were all sent back home from the research lab, which was not an easy transition for anyone, especially experimentalists whose research outcome is highly dependant on their lab activities. It was stressful to start a new project when there was only one year left in my master’s, and in the middle of a global pandemic. Having those experiences, I can clearly say that I couldn’t have graduated without the strong support of my supervisor Professor Thomas Jennewein, IQC, my group members and of course the emotional support I had from my family and friends.
- What does the Dean of Science Award mean to you?
It was unexpected - but I’m thrilled that my hard work paid off! It proved to me that pursuing my passion and taking big steps to make changes when needed might sound scary, but will bring success and satisfaction eventually.
- What’s next for you?
I’ve been working as a research associate with Professor Jennewein since my graduation, and I’m planning to pursue my PhD studies in the same research group starting in winter 2023. In fact, the novelty of this field appeals to me and inspires me to use our creativity, expertise, and knowledge to implement new theories experimentally; and develop the quantum technology necessary to have a global quantum network in the future. I’m excited to see what this next chapter will have in store for me and where my continued research in this field will take me.
Une étudiante à l’IQC reçoit le prix du doyen de la Faculté des sciences pour un rendement scolaire exceptionnel
Kimia Mohammadi, étudiante à l’Institut d’informatique quantique (IQC), est la récipiendaire du prix du doyen de la Faculté des sciences. Dans chaque département, ce prix est remis à une personne inscrite à la maîtrise et qui fait preuve d’un rendement scolaire exceptionnel.
Kimia fait part de ses réactions à l’obtention de ce prestigieux prix. Elle parle des recherches qui l’intéressent et de ses aspirations pour l’avenir.
- Parlez-nous des recherches que vous avez effectuées pour votre mémoire de maîtrise.
Mon mémoire de maîtrise porte sur la conception d’un télescope émetteur-récepteur de 8 pouces capable de transmettre et de recevoir des signaux quantiques à 785 nm, de même que des signaux classiques à 980 nm et 1550 nm, avec une efficacité supérieure à celle de produits commerciaux similaires. Ce télescope devrait constituer l’une des stations terrestres quantiques utilisées pour tester des protocoles de distribution quantique de clés (DQC) et d’autres protocoles de communication avec le QEYSSat (Quantum Encryption and Science Satellite – Satellite de cryptographie et physique quantiques), une fois que celui-ci aura été mis en orbite en 2024. Cette mission résulte d’une collaboration entre plusieurs équipes scientifiques canadiennes et internationales. Financée par l’Agence spatiale canadienne (ASC), elle vise l’établissement de communications quantiques sur de grandes distances.
Pour mon mémoire de maîtrise, j’ai conçu les composantes optiques et mécaniques d’un télescope réfracteur ayant une performance optimale pour des communications spatiales libres aux longueurs d’onde voulues. La lentille a été créée à partir d’un modèle mis au point au sein de l’équipe. Ce modèle simule les turbulences atmosphériques et les imperfections optiques, afin d’optimiser les caractéristiques de la lentille sur les plans de la qualité et des coûts de fabrication. Les composantes mécaniques ont été construites à l’atelier de physique ou achetées dans le commerce, de manière à assurer une stabilité et une précision maximales. Enfin, toutes les composantes ont été assemblées et calibrées dans notre laboratoire, en vue de leur installation dans notre observatoire sur le toit du bâtiment RAC (Research Advancement Center – Centre d’avancement de la recherche) pour les expériences à venir.
- Quelle est l’importance de vos recherches?
L’idée de construire un télescope sur mesure est venue du fait que l’achat d’un télescope dans le commerce ne constituait pas une option réalisable, pour plusieurs raisons. Premièrement, les télescopes vendus dans le commerce sont surtout conçus pour l’astronomie et n’ont pas les performances voulues pour des communications optiques dans l’infrarouge proche. Deuxièmement, à cause de la complexité de fabrication de lentilles de grande taille, les télescopes à grande ouverture sont souvent réflecteurs. Mais le miroir secondaire des télescopes réflecteurs bloque une partie du faisceau, ce qui accroît les pertes et est mal adapté au travail avec des faisceaux de faible puissance et des milieux de propagation à perte tels que l’atmosphère. Troisièmement, et c’est la raison la plus importante, étant donné que nous utilisons comme qubits des photons codés en polarisation, l’optique du télescope doit avoir le moins possible d’effets de biréfringence, afin de préserver la polarisation du faisceau transmis. Une optique d’une telle qualité est coûteuse, en particulier dans le cas de lentilles de grande taille. Cependant, nous avons pu analyser les effets de l’atmosphère et des imperfections de la lentille sur le front d’onde transmis et déterminer les spécifications de la lentille de manière à réduire les coûts en évitant les processus de fabrication non nécessaires. De plus, nous avons installé à l’intérieur du télescope des miroirs de basculement motorisés, afin d’automatiser l’alignement et améliorer la précision de calibrage et de détection du faisceau.
Au total, avec les caractéristiques mentionnées ci-dessus du télescope ainsi que les résultats de nos tests préliminaires de mesure des erreurs sur le front d’onde et de la polarisation du faisceau transmis, le télescope émetteur-récepteur que nous avons construit sur mesure se distingue des télescopes disponibles dans le commerce et nous laisse espérer une plus grande efficacité des communications optiques.
- À quels défis avez-vous fait face au cours de vos études de maîtrise?
J’ai commencé mes études de maîtrise à l’IQC en janvier 2019, et je me suis jointe à l’équipe du professeur Thomas Jennewein au cours de ma 4e session du programme de maîtrise. La pandémie est survenue peu après, de sorte que nous avons tous dû quitter le laboratoire et rentrer chez nous, ce qui n’a été facile pour personne, en particulier pour les expérimentateurs dont les résultats dépendent fortement du travail en laboratoire. Cela a été stressant de commencer un nouveau projet à un an seulement de la fin de ma maîtrise et au milieu de la pandémie. Ayant vécu tout cela, je peux affirmer que je n’aurais pas pu obtenir mon diplôme sans le ferme soutien de mon directeur de recherches, le professeur Thomas Jennewein, de l’IQC, des membres de mon équipe, sans oublier bien sûr le soutien affectif de ma famille et de mes amis.
- Que signifie pour vous l’obtention du Prix du doyen de la Faculté des sciences?
Je ne m’y attendais pas, mais je suis ravie que tous mes efforts aient donné ce résultat! Cela m’a prouvé qu’il peut paraître risqué de vivre une passion et de prendre de grandes décisions pour apporter des changements lorsqu’ils sont nécessaires, mais qu’au bout du compte le succès et la satisfaction seront au rendez-vous.
- Qu’est-ce qui vous attend maintenant?
Depuis l’obtention de mon diplôme, je travaille comme associée de recherche avec le professeur Jennewein, et je prévois entreprendre des études de doctorat au sein de la même équipe à l’hiver 2023. De fait, je suis attirée par la nouveauté de ce domaine, qui m’incite à exploiter créativité, connaissances et compétences pour expérimenter la mise en œuvre de nouvelles théories et développer la technologie nécessaire afin de créer dans l’avenir un réseau quantique mondial. Je suis impatiente de voir ce que ce nouveau chapitre me réserve et où me mènera la suite de mes recherches dans ce domaine.