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Institute for Quantum Computing (IQC) and Durham University researchers collaborate to massively increase sensor measurement precision.

By Naomi Grosman

Two researchers at the IQC have received $500,000 in funding from Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada to develop and demonstrate next-generation quantum sensors that are more precise and sensitive than current ones and are set to advance critical sectors like health care, defense, and fundamental science.

First-generation quantum sensors are already being used. One familiar application is the atomic clock, which underpins the global positioning system (GPS). These sensors use our understanding of quantum principles like superposition and energy levels. Next-generation quantum sensors use the principles of entanglement, where multiple particles are made to interact, massively increasing measurement precision.

Alan Jamison, IQC faculty and professor in University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and Alexandre Cooper-Roy, IQC research associate and adjunct professor in the Department of Physics and Astronomy, are leading the research activities in Canada. They are collaborating with world-renowned scientists at Durham University in the U.K., who received more than $700,000 funding from U.K. Research and Innovation (UKRI).

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"This program is about advancing both fundamental science and practical applications of quantum sensors. This is a real opportunity to impact many industries across Canada. There is a real need to develop next-generation quantum sensors, and we are uniquely qualified to do so, thanks to the advanced infrastructure that we have developed at IQC. Alan and I will be working together to bring these new capabilities to reality."
- Alexandre Cooper-Roy, IQC research associate and adjunct professor in the Department of Physics and Astronomy

Cooper-Roy studies Rydberg atoms and Jamison studies ultracold molecules. Each has built a research system to trap and measure their choice of particle. Due to their unique properties, both molecules and atoms can be used to precisely measure electromagnetic fields, and together they aim to develop protocols for quantum sensing using entangled states of atoms and molecules.

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“We are still in the very early stages of learning how to produce and control these highly entangled states. There is a fundamental science aspect just to get to the point where we can reliably prepare and measure these states. There will be applications to other areas of quantum science and technology because producing and maintaining entangled states is difficult.”
- Alan Jamison, IQC faculty and professor in University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy

Jamison is currently working on measurements concerning the origins of matter in the universe, and using next-generation quantum sensors will help advance that research.

Cooper-Roy says advancing the development of quantum sensors has real-world, practical impacts relevant to Canadian industry including disease detection in medicine, submarine detection in defense, and mineral discovery. And receiving this funding shows the direct link between advancing fundamental science and scientific applications that have real-world impact.

“Our platforms are complimentary and enabling, and here at IQC we can show that advanced quantum sensors are not just theory, it’s experimental and based on years of groundwork to establish this ability to contribute to answering these questions,” Cooper-Roy says. “This is how fundamental science can enable real-world applications.”


Du financement pour la prochaine génération de capteurs quantiques

L’Institut d’informatique quantique (IQC) et l’Université de Durham collaborent pour améliorer substantiellement la précision de mesure des capteurs.

Par Naomi Grosman

Deux chercheurs de l’IQC ont reçu une bourse de 500 000 $ du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada pour la conception et la mise à l’essai de nouveaux capteurs quantiques plus précis et sensibles, qui seront cruciaux pour l’avancée de domaines comme la santé, la défense et la science fondamentale.

Les capteurs de première génération sont déjà en usage sur le marché, notamment dans les horloges atomiques essentielles aux systèmes de positionnement global (GPS). Ces capteurs quantiques reposent sur notre compréhension des principes quantiques tels que la superposition et les états énergétiques. La prochaine génération utilisera quant à elle l’intrication, à savoir que l’on fera interagir de multiples particules pour augmenter grandement la précision de mesure.

Alan Jamison, chercheur de l’IQC et professeur du Département de physique et d’astronomie à l’Université de Waterloo, et Alexandre Cooper-Roy, associé de recherche à l’IQC et professeur adjoint du Département de physique et d’astronomie, dirigent ce projet au Canada. Dans le cadre de ce travail, ils collaborent avec des scientifiques de renommée mondiale de l’Université de Durham, au Royaume-Uni, qui se sont vu octroyer plus de 700 000 $ par UK Research and Innovation (UKRI).

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« Ce programme vise à avancer à la fois la science fondamentale et les applications pratiques des capteurs quantiques. Il s’agit d’une occasion en or pour une foule de secteurs canadiens. Le besoin de capteurs de prochaine génération est bien réel, et nous sommes en excellente position pour les produire avec les infrastructures de pointe que nous avons créées à l’IQC. Alan et moi travaillerons ensemble pour concrétiser ce projet. »
- Alexandre Cooper-Roy, associé de recherche à l’IQC et professeur adjoint du Département de physique et d’astronomie

Alexandre Cooper-Roy étudie les atomes de Rydberg, tandis que son collègue Alan Jamison étudie les molécules ultrafroides. Ils ont construit des systèmes de recherche pour piéger et mesurer leurs particules d’intérêt respectives. Grâce à leurs propriétés uniques, ces atomes et molécules permettent de mesurer précisément les champs électromagnétiques. Aussi les deux chercheurs espèrent-ils élaborer des protocoles de captage quantique exploitant les états intriqués de ces particules.

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« Nous commençons à peine à comprendre comment produire et contrôler ces états hautement intriqués. Il y a toute une question de science fondamentale pour parvenir à les provoquer et à les mesurer de façon systématique. Mais il y aura aussi des applications dans d’autres sphères de la science et des technologies quantiques, parce que la production et la préservation d’états intriqués représentent un problème de taille. »
— Alan Jamison, chercheur de l’IQC et professeur du Département de physique et d’astronomie à l’Université de Waterloo

Alan Jamison travaille actuellement sur les mesures relatives aux origines de la matière dans l’univers, des travaux qui seront facilités par les capteurs quantiques de prochaine génération.

Selon son collègue, la mise au point de ces capteurs aura des répercussions tangibles dans plusieurs domaines au Canada, notamment le dépistage de maladies en médecine, la détection de sous-marins pour la défense, et la découverte de minéraux dans le monde minier. Le financement obtenu prouve le lien direct entre l’avancée de la science fondamentale et les applications scientifiques concrètes.

« Nos plateformes sont complémentaires et synergiques. À l’IQC, nous travaillons à montrer que les capteurs quantiques de pointe vont au-delà de la théorie. Ce sont des outils expérimentaux qui découlent de plusieurs années de travail sur le terrain et recèlent un fort potentiel, explique Alexandre Cooper-Roy. C’est ainsi que la science fondamentale prend sa dimension et son utilité concrètes. »