Yesterday, the Institute for Quantum Computing (IQC) held its first Colloquium of 2023, including an opportunity to connect to our community with pre-presentation coffee and tea, and a fantastic presentation featuring Dr. Stephanie Simmons titled Silicon Colour Centres.
Dr. Simmons is a professor and Canada Research Chair at Simon Fraser University, as well as the Founder and Chief Quantum Officer of Photonic. This month, she was named co-chair of Canada’s National Quantum Strategy’s Quantum Advisory Council, alongside Dr. Raymond Laflamme, faculty member at IQC and the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo.
As an undergraduate student at the University of Waterloo, Dr. Simmons was captivated by the newly established quantum field. After reading about IQC in the newspaper as a teenager, she was motivated to learn more about quantum computing and decided to study math at Waterloo. Dr. Simmons recalls immersing herself in the community starting in 2003, just a year after IQC was founded, by joining faculty members and other students in meetings to read the latest quantum papers and findings each week. She made a point of putting herself in rooms with the leading experts in the cutting-edge field of quantum computing and worked as an undergraduate research assistant at IQC from 2006–2007.
In her Colloquium presentation, Dr. Simmons discussed the future of quantum technologies, and presented some of her current research into quantum computing using silicon colour centres. This research focused on building qubits that can take advantage of more flexible and scalable quantum error correction methods.
“It’s important to work backwards from where we want to be,” says Simmons. “We should all be engineering towards the finish line.”
Dr. Simmons’ current research focuses on optimizing long-range qubit interactions to facilitate the engineering of scalable, modular qubit systems. When networked together, these units could be used to create a system with enough qubits to create useful breakthroughs. By combining qubits in new ways that don’t rely on their proximity on a 2-dimensional surface, such as utilizing long-range interactions based on light, scientists can dramatically reduce the number of physical qubits needed in a system and thus also improve the error correction requirements for that system.
In her research, Dr. Simmons builds spin qubits out of colour centres, which are defects in silicon lattices that emit light at the same wavelength as telecommunications signals. The spins of these centres can be entangled using photons, however, since the photon itself is not the qubit, this system is less susceptible to data loss than a purely light-based approach. “Once you’re working with light, you can route it anywhere. The qubits no longer have to be right beside each other,” says Dr. Simmons. This opens new and exciting options for qubit connectivity and efficiency to pave the way for fault-tolerant quantum computing.
When Dr. Simmons started investigating the quantum world as an undergraduate student at Waterloo and spending her free time at IQC, quantum computing was still a newly emerging and developing area of inquiry. Today, she has helped lead it forward as a rich and vibrant field. “Quantum computing applications aren’t 20 years away anymore.”
IQC is proud to have been an early inspiration for Dr. Simmons’ journey in quantum and we are glad to have had the opportunity to invite her back to present the first Quantum Colloquium of 2023.
Institut d’informatique quantique : allocution de Stephanie Simmons sur l’avenir des technologies quantiques
L’Institut d’informatique quantique a tenu hier son premier colloque de 2023, qui s’ouvrait par une séance de réseautage avec service de thé et café, et a été le théâtre de la fantastique allocution Silicon Colour Centres de Stephanie Simmons.
Mme Simmons est professeure et titulaire d’une chaire de recherche du Canada à l’Université Simon Fraser ainsi que fondatrice et chef de la direction quantique de Photonic. Ce mois-ci, elle a été nommée coprésidente du conseil consultatif sur la quantique chargé de la Stratégie quantique nationale du Canada, avec Raymond Laflamme, professeur de l’Institut d’informatique quantique et du Département de physique et astronomie de l’Université de Waterloo.
Pendant ses études au premier cycle à Waterloo, Stephanie Simmons était fascinée par le nouveau domaine de la quantique. À l’adolescence, après avoir appris l’existence de l’Institut dans le journal, elle a décidé de se renseigner sur l’informatique quantique et d’étudier en mathématiques à l’Université de Waterloo. Elle s’est impliquée dans la communauté dès 2003, à peine un an après la fondation de l’Institut, participant à des réunions avec des professeurs et d’autres étudiants pour lire chaque semaine les derniers articles et nouvelles découvertes. Il était important pour elle de côtoyer les plus grands experts de ce domaine à la fine pointe de la technologie. En 2006-2007, elle a même travaillé comme assistante à la recherche de premier cycle à l’Institut.
Durant le colloque, elle a projeté l’avenir des technologies quantiques et présenté certains de ses travaux en cours sur l’usage des centres colorés du silicium dans l’informatique quantique. Sa recherche a pour objectif de créer des bits quantiques (qubits) permettant d’employer des méthodes de correction d’erreurs quantiques plus flexibles et modulables.
« Il faut partir de notre objectif, procéder par ingénierie inverse à partir de la ligne d’arrivée », dit Simmons.
Ses projets actuels visent l’optimisation des interactions de qubits à longue portée pour faciliter la conception de systèmes de qubits modulables, pouvant être raccordés de sorte à créer un système comportant suffisamment de qubits pour faire des avancées utiles. En combinant les qubits de nouvelles façons ne requérant pas de proximité sur une surface en deux dimensions, par exemple en utilisant des interactions à longue portée axées sur la lumière, on peut réduire considérablement le nombre de qubits physiques nécessaires dans un système et ainsi en améliorer les exigences de correction d’erreurs.
Dans ses travaux, Mme Simmons crée des qubits de spin à partir de centres colorés, qui sont des imperfections dans les mailles du silicium émettant une lumière sur la même longueur d’onde que les signaux de télécommunication. Les spins de ces centres peuvent être reliés à l’aide de photons, et comme un photon n’est pas un qubit en soi, ce système est moins sujet aux pertes de données qu’une approche utilisant uniquement la lumière. « Lorsqu’on travaille avec la lumière, on peut l’envoyer n’importe où; les qubits n’ont pas à être les uns à côté des autres », explique Simmons. Ce sont là de nouvelles avenues prometteuses pour la connectivité et l’efficacité des qubits qui ouvrent la voie à une conception de technologies quantiques plus tolérantes aux erreurs.
Le monde de la quantique n’était encore qu’à ses balbutiements lorsque Stephanie Simmons s’y est intéressée, à l’époque où elle étudiait au premier cycle à l’Université de Waterloo et passait ses temps libres à l’Institut d’informatique quantique. Elle a contribué à en faire le champ de recherche fertile et dynamique qu’on connaît aujourd’hui : « Il n’est plus question d’attendre encore 20 ans pour voir l’informatique quantique en application. »
L’Institut est fier d’avoir été l’une de ses sources d’inspiration et reconnaissant d’avoir pu l’accueillir à l’occasion du premier colloque sur la quantique de 2023.