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Zoom sur… la physique quantique dans les formations à l’ISAE-SUPAERO
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L’ISAE-SUPAERO intègre de façon ininterrompue depuis 1980 la physique quantique dans ses activités de formation et de recherche et propose depuis deux décennies des enseignements liés à la seconde révolution quantique.
L’Institut souhaite ainsi apporter à ses étudiants un petit « plus » leur permettant de s’orienter vers la recherche ou vers une ingénierie faisant de plus en plus appel aux théories quantiques.
Dans le secteur aérospatial, dans des domaines tels que la surveillance de la Terre, la navigation ou encore la sécurité des moyens de communication, la connaissance de la physique quantique est prisée par de nombreux industriels.
« Les bases de physique quantique proposées à l’ISAE-SUPAERO permettent aux étudiants qui le souhaitent d’approfondir la discipline et de poursuivre une formation plus poussée »
Sébastien Massenot est enseignant-chercheur en physique à l’ISAE-SUPAERO, en charge des cours de physique fondamentale du cursus Ingénieur Généraliste.
Une introduction à la physique quantique est intégrée à ce cursus dès le tronc commun de première année et des modules électifs permettent d’approfondir cette discipline.
Les étudiants qui le souhaitent peuvent poursuivre avec une formation complémentaire afin d’apporter une coloration quantique plus ou moins forte à leur diplôme d’ingénieur, spécialité recherchée par de nombreux industriels.
Quelle est la place de la physique quantique dans les enseignements de l’ISAE-SUPAERO ?
« Un cours d’introduction à la physique quantique est proposé dans le tronc commun du cursus Ingénieur Généraliste de l’ISAE-SUPAERO. On retrouve cette théorie dans les enseignements de physique statistique de première année et de thermique en seconde année. Plusieurs enseignements électifs sont également proposés : des modules d’approfondissement (lasers / physique des particules) et deux modules directement liés à la seconde révolution quantique (ingénierie quantique / informatique quantique).
Ces bases donnent aux étudiants une vision assez globale de la physique quantique et permettent à ceux qui le souhaitent de compléter leur formation grâce à un double diplôme : l’Institut possède une convention d’accueil avec le M2 de physique fondamentale, ingénierie quantique et matière condensée de l’université Paul-Sabatier en troisième année ou encore des accords de double diplôme avec l’ENS Paris-Saclay ou l’ESPCI par exemple.
L’Institut fait office de précurseur dans le domaine, puisque le module électif d’ingénierie quantique est proposé depuis deux décennies par notre vacataire et collègue Christian Joachim. »
En quoi est-il primordial aujourd’hui de former les ingénieurs à la physique quantique ?
« L’engouement actuel et le développement très rapide autour des technologies quantiques fait que soit à court, soit à plus long terme, de nombreux ingénieurs seront confrontés au « quantique » pendant leur carrière. Y avoir été préalablement formé sera un atout très fort. À titre d’exemple, dans le domaine du spatial, Thalès Alenia Space à Toulouse regroupe une équipe d’ingénieurs dédiée au développement de systèmes de communications quantiques sécurisées par satellites.
Un autre aspect primordial qui se situe à un niveau plus personnel : appréhender la pensée dans le « monde quantique » n’est pas intuitif par rapport au monde macroscopique que nous expérimentons chaque jour. Cela nécessite une prise de recul, qui est également très formatrice. »
Comment abordez-vous la physique quantique avec les étudiants de 1ʳᵉ année ?
« En plus des cours théoriques proposés, la physique quantique est également déclinée sur le plan expérimental. Une expérience de photons intriqués en polarisation, réplique simplifiée et adaptée aux étudiants de l’expérience d’Alain Aspect nobélisé en 2022, a été développée en 2015 en collaboration étroite avec des collègues de l’Université Paul-Sabatier.
Cette expérience est proposée dans le cadre des activités de pratique expérimentale (20 heures qui permettent de détailler les différents aspects de l’expérience) ou dans le cadre du module électif d’ingénierie quantique. Elle vise à illustrer la préparation expérimentale d’un état quantique à deux photons ainsi que sa mesure, et d’effectuer la comparaison avec les prédictions théoriques. Cela permet aux élèves de toucher à cette discipline de façon beaucoup plus concrète. »
« Quantique », c’est quoi ?
La physique quantique a été développée au XXe siècle pour rendre compte de nombreuses observations à l’échelle microscopique non explicables par les théories de la mécanique ou de l’électromagnétisme classique. Elle a également permis d’effectuer de nombreuses prédictions vérifiables et vérifiées sur les propriétés de la matière et des rayonnements à toutes les échelles (des particules élémentaires à l’astrophysique).
Les développements technologiques et industriels issus de cette théorie et réalisés au XXe siècle ont permis des avancées considérables dans des domaines tels que la microélectronique, l’informatique, les télécommunications, l’imagerie, la médecine… Il s’agit de « la première révolution quantique ». À titre d’illustration, plus d’un tiers du PIB des États-Unis est issu des applications directes de cette discipline !
Depuis plusieurs dizaines d’années, de nombreux laboratoires et acteurs industriels s’intéressent au développement de nouvelles applications basées sur le contrôle des propriétés d’une seule ou de quelques particules quantiques individuelles. La théorie quantique prédit qu’une même particule peut être décrite par plusieurs états simultanément (superposition) et que deux particules ayant interagi par le passé vont conserver un « lien », quelle que soit la distance les séparant (intrication).
Bien que non intuitives dans un cadre classique, ces propriétés ont été vérifiées de manière expérimentale et peuvent être utilisées pour améliorer la sensibilité de nombreux capteurs (accéléromètres, gravimètres…), la sécurité des communications, et être mises à profit pour accélérer des calculs à l’aide d’ordinateurs quantiques.
Le développement de ces nouvelles applications, dont nous assistons actuellement au déroulement, porte le nom de « seconde révolution quantique ». Pour en célébrer le centième anniversaire, 2025 a été décrétée année internationale des sciences et technologies quantiques par les Nations Unies.
