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Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Technologies quantiques émergentes Gerhard Rempe Professor and Director, Max Planck Institut of Quantum Optics Séminaire - Gerhard Rempe : Entanglement, quo vadis? Résumé Entanglement is a genuine quantum physical phenomenon that is expected to fully unfold in systems composed of multiple qubits. However, creating customised multi-qubit entanglement on demand and exploring its application potential is a formidable challenge. Using individual atoms in an optical cavity as a source of single photons, we have synthesised a plethora of almost arbitrary entanglement topologies described by graphs. These open the door to a multitude of novel applications such as quantum error correction in photonic quantum computation and quantum communication with tolerance against omnipresent photon loss. Gerhard Rempe Gerhard Rempe is a German physicist, Director at the Max Planck Institute of Quantum Optics and Honorary Professor at the Technical University of Munich. He has performed pioneering experiments in atomic and molecular physics, quantum optics and quantum information processing.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 05 - Technologies quantiques émergentes : Processeurs quantiques photoniques Résumé Encoder et manipuler l'information sur les photons est une des toutes premières approches explorées pour le calcul quantique. Ce cours décrira le fonctionnement des ordinateurs quantiques photoniques et les architectures envisagées. Ces processeurs exploitent tous l'interférence quantique de photons identiques, qui a représenté un défi scientifique et technologique important ces dernières décennies. Les progrès permettent aujourd'hui de réaliser des premiers prototypes de calcul manipulant quelques dizaines de photons. Pour passer à l'échelle, un autre paradigme de calcul quantique est en cours de développement – le calcul dit basé sur la mesure, qui permet la correction d'erreur et le calcul distribué. Ce calcul repose sur des états de la lumière où de nombreux photons sont intriqués et peuvent intégrer des qubits de spin pour plus d'efficacité.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Séminaire - Audrey Bienfait : Manipuler des phonons uniques avec des qubits supraconducteurs Audrey Bienfait Chargée de recherche CNRS, Laboratoire de physique à l'ENS Lyon Résumé Les ondes acoustiques de surface (SAWs) sont des vibrations se propageant à la surface d'un matériau, largement utilisées en électronique classique. Ces dernières années, elles ont suscité un intérêt croissant pour relier des systèmes quantiques distants les uns des autres, tels que les spins ou les qubits semi-conducteurs. Dans nos travaux, nous utilisons des qubits supraconducteurs pour émettre et réabsorber des phonons uniques, ce qui permet de transférer des états quantiques et de générer une intrication à distance entre deux qubits. Nous avons aussi pu démontrer une intrication à deux phonons et réaliser une expérience de gomme quantique avec des ondes sonores, illustrant leur potentiel pour la détection quantique. Audrey Bienfait Audrey Bienfait completed her Ph.D. in the Quantronics group at CEA Saclay (France) in 2016. There, she worked with Patrice Bertet on coupling spins to high quality factor small-mode-volume superconducting resonators, enabling high-sensitivity electron spin resonance detection and a spin initialization mechanism via the Purcell effect. She then realized a post-doc in the Cleland group at the University of Chicago (USA), where she coupled remote superconducting qubits using traveling phonons and realized acoustic interferometry experiments. In 2019, she joined the Quantum Circuit group as a CNRS researcher. She received the Bruker thesis prize and the Michelson post-doctoral lectureship prize. Her current research interests are electronic spins, superconducting circuits, and various microwave transduction, sensing and storage schemes.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 04 - Technologies quantiques émergentes : Photons uniques et intriqués Résumé La génération efficace de photons uniques et de photons intriqués représente un défi technologique majeur pour de nombreuses applications, des communications aux ordinateurs quantiques. Nous présentons dans ce cours deux grandes approches permettant la génération de photons uniques. La première exploite l'optique non linéaire, la seconde des atomes uniques dont le processus d'émission spontanée est contrôlé. Nous décrirons les avantages et défis de chaque méthode, leur implémentation dans des systèmes intégrés et l'état de l'art actuel. Nous présenterons ensuite les approches adoptées pour la génération de photons intriqués ainsi que des états toujours plus complexes de la lumière.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Technologies quantiques émergentes Mete Atatüre Professor, Professor of Physics, University of Cambridge Séminaire - Mete Atatüre : Shedding Light on a Central Spin System: How Quantum Optics Can Tame a Noisy Nuclear Spin Ensemble Résumé Optically active spins in solids are strong candidates for scalable devices towards quantum networks. Semiconductor quantum dots set the state-of-the-art as single-photon sources with high level tuneability, brightness, and indistinguishability. In parallel, their inherently mesoscopic nature leads to a unique realisation of a tripartite interface between light, an electron spin and a nuclear spin ensemble. Controlling these interactions create opportunities to realize a controllable central spin system. I will present a journey from treating the nuclei as nuisance to observing their collective states and eventually to their function as a quantum register to store quantum information, all tailored via an electron driven by light. Mete Atatüre Mete Atatüre is a Professor of Physics and the Head of the Cavendish Laboratory, Cambridge. He completed his PhD at Boston University in 2002 and then worked as a Postdoctoral Fellow at ETH Zurich. He joined the Cavendish Laboratory in 2007 as an Assistant Professor and received his full Professorship in 2015. His research efforts straddle multiple material platforms for quantum networks and quantum sensing. He is the co-founder and Scientific Advisor of Nu Quantum Ltd. developing quantum network solutions. He is a Fellow of Optica, Academia Europaea, Institute of Physics, and Science Academy Turkey. He was awarded the IoP Thomas Young Medal and Prize in 2020 and the 2024 Koc Medal of Science for his contributions in quantum technologies.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 03 - Technologies quantiques émergentes : Introduction à la décohérence Résumé La superposition quantique, pierre angulaire de la seconde révolution quantique, est une propriété très fragile : elle disparaît dès que le système est exposé à des perturbations extérieures, comme des champs magnétiques ou électriques fluctuants. Dans ce cours, nous introduirons la notion de décohérence à partir de modèles physiques simples, avant de montrer comment ces processus peuvent être mesurés et quelles techniques permettent de les atténuer. Nous serons alors en mesure de présenter les critères de DiVincenzo, nécessaires à la réalisation d'un ordinateur quantique, et de donner un bref panorama des différentes plateformes expérimentales ainsi que des principales sources de décohérence qui les affectent.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Valentina Parigi Professeur, Laboratoire Kastler-Brossel, Sorbonne Université, ENS Université PSL, CNRS, Collège de France Séminaire - Valentina Parigi : Réseaux quantiques multimodes à variables continues Résumé Les technologies de l'information et de la communication quantiques à variables continues reposent sur l'encodage de l'information dans les quadratures d'amplitude et de phase du champ. Les processus paramétriques non linéaires permettent de générer des états quantiques de la lumière impliquant de nombreux modes spectrotemporels, organisés en réseaux quantiques présentant une intrication gaussienne. Ces réseaux peuvent être exploités pour les technologies quantiques de communication et d'information. Le multiplexage spatial, spectral et temporel sera étudié pour la génération de tels réseaux, ainsi que l'introduction d'opérations non gaussiennes, indispensables au calcul quantique. Valentina Parigi Valentina Parigi is a Professor at the Laboratoire Kastler Brossel, Sorbonne Université, Paris. She is currently working on the implementation of complex quantum networks in a multi-mode continuous-variable setting. Her interests range from the foundations of quantum mechanics to the experimental realization of key tools for quantum information technologies. She has explored the generation and manipulation of quantum states using optical nonlinear materials, cold Rydberg ensembles, and atomic quantum memories. She is the recipient of an ERC Consolidator Grant and the CNRS Bronze Medal.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 02 - Technologies quantiques émergentes : Encoder l'information quantique sur la lumière Résumé La lumière ou les ondes acoustiques qui permettent de propager l'information quantique d'un point à l'autre : on parle de qubit « volants ». Ce second cours introduira le formalisme permettant de décrire ces systèmes quantiques – basé sur l'oscillateur harmonique quantique. Nous verrons ensuite comment encoder l'information sur la lumière, en exploitant soit des photons uniques, soit les composantes du champ électromagnétique. Nous présenterons les principales techniques permettant de caractériser ces états quantiques en décrivant brièvement des développements technologiques clés, comme les détecteurs de photons uniques. Nous aborderons enfin les techniques permettant de mesurer l'intrication, en s'appuyant sur l'exemple de deux photons.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Technologies quantiques émergentes Jean-François Roch Professeur, LUMIN (ENS Paris-Saclay, université Paris-Saclay, CentraleSupelec et CNRS) Séminaire - Jean-François Roch : Centres NV du diamant : du matériau aux capteurs quantiques Résumé Le diamant présente des propriétés exceptionnelles, notamment grâce aux défauts dans sa structure cristalline comme les centres NV (azote-lacune). La détection optique et la manipulation du spin électronique de ces atomes artificiels rend possible la mesure de champs magnétiques dans des environnements où d'autres capteurs échouent. Ces propriétés ont conduit à de nombreuses applications, avec des dispositifs commerciaux déjà disponibles. Les avancées reposent sur la maîtrise de la synthèse CVD du diamant et de l'ingénierie des défauts. Je décrirai notamment comment les centres NV permettent d'étudier les propriétés supraconductrices de matériaux à haute pression dans les cellules à enclumes de diamant. Jean-François Roch Professeur à l'ENS Paris-Saclay, et membre senior de l'Institut universitaire de France (promotion 2021). Lauréat de la bourse ERC Advanced Grant 2024 dont l'objectif est l'étude des propriétés supraconductrices en conditions extrêmes de pression. Prix Jaffé et médaille Berthelot de l'Académie des sciences (2024).

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 01 - Technologies quantiques émergentes : Du spin ½ au bit d'information quantique Résumé Après avoir posé le contexte général et le plan du cours, ce premier cours introduira le formalisme du spin ½, système modèle pour la description des bits d'information quantique (qubits). Il permet de décrire les qubits dits « stationnaires » comme les niveaux d'énergie d'un électron dans un atome ou dans un défaut du silicium ou du diamant, etc. Nous montrerons comment représenter, manipuler et caractériser un qubit, en mettant en parallèle la physique et l'information quantique. Ce langage commun permet de décrire les premiers ingrédients d'un processeur quantique, mais également le fonctionnement de capteurs quantiques magnétiques.

Pascale Senellart Chaire annuelle Innovation technologique Liliane Bettencourt (2025-2026) Collège de France Année 2025-2026 Leçon inaugurale - Pascale Senellart : Les débuts d'une seconde révolution quantique Résumé La mécanique quantique a été le moteur des grandes révolutions technologiques de la seconde moitié du XXe siècle, au cœur, entre autres du transistor, du laser ou des systèmes de navigation. Ces innovations n'ont pourtant pas exploité les concepts les plus subtils, ceux qui ont tant fait débat parmi les fondateurs de la mécanique quantique : la superposition quantique et l'intrication. Ces concepts, qui contrarient encore aujourd'hui nos intuitions, ouvrent la voie à de nouvelles façons d'encoder et de manipuler l'information. Les observer et les exploiter requiert toutefois un degré de contrôle inédit des systèmes physiques. Les dernières décennies de recherche en physique quantique, appliquées à des systèmes très variés, allant de la lumière aux composants semi-conducteurs et supraconducteurs, en passant par les atomes, ont progressivement permis de manipuler des systèmes quantiques élémentaires très « purs », et de mettre en évidence, puis de maîtriser la superposition quantique et l'intrication. Il est aujourd'hui possible de générer la lumière photon par photon, de synthétiser de la matière artificielle atome par atome, de sculpter des atomes artificiels avec les outils de la microélectronique, d'intriquer photons et atomes naturels ou artificiels. Ces avancées scientifiques permettent aujourd'hui de développer les premières applications exploitant l'intrication et la superposition. Il s'agit notamment de développer des processeurs quantiques permettant de réaliser des calculs inaccessibles aux supercalculateurs actuels, de mettre en œuvre des protocoles de communication sécurisés par les lois fondamentales de la mécanique quantique ou encore de développer des capteurs de sensibilité ultime, facilitant par exemple la détection d'ondes gravitationnelles. Les applications sont nombreuses, couvrent des domaines liés à la souveraineté numérique, mais promettent également de nouvelles découvertes scientifiques. Nous nous efforcerons de décrire les débuts de cette aventure, où recherche fondamentale et développements technologiques avancent résolument de concert. C'est un domaine en plein essor au niveau international, où une certaine poésie et esthétique se mêlent au quotidien à des ambitions scientifiques extrêmes et à une concurrence intense, à la mesure des enjeux. Les enseignements de Pascale Senellart ont lieu dans le cadre de l'Année internationale des sciences et technologies quantiques qui marque, en 2025, les 100 ans de la découverte de la physique quantique.