Un diplôme pour l'ère quantique

Il y a cent ans, un groupe de physiciens parmi les plus renommés au monde s'est lancé dans une quête qui allait transformer leur domaine. Le groupe – qui comprenait Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born et Wolfgang Pauli – a jeté les bases de la mécanique quantique, une théorie si radicalement différente de la physique classique que ses concepts et son langage peuvent être difficiles à comprendre pour les non-scientifiques. En fait, la physique quantique est si révolutionnaire qu'elle défie même des principes autrefois considérés comme immuables par les physiciens classiques.

«Une grande partie de notre compréhension actuelle du monde est basée sur la mécanique quantique», explique Martin Frimmer, professeur de photonique au département des technologies de l'information et du génie électrique. «La microélectronique moderne, par exemple, n'existerait même pas si l'on n'avait pas découvert que les électrons dans les semi-conducteurs ont un comportement ondulatoire. Le domaine de la mécanique quantique est à la base de nombreuses technologies du monde réel, explique-t-il, mais il permet également de prédire des phénomènes qui n'ont pas encore été observés.

L'intrication quantique – où des objets quantiques tels que des électrons, des photons ou des atomes deviennent intrinsèquement connectés – en est un exemple; l'idée de téléportation quantique en est un autre. Pendant des décennies, ces concepts sont restés confinés à des expériences théoriques, et ce n'est qu'au début des années 2000 que les scientifiques ont finalement été en mesure de démontrer régulièrement ces effets en laboratoire. «Nous avons maintenant atteint le stade où nous pouvons exploiter ces phénomènes pour des applications pratiques, ce qui nécessite une toute nouvelle classe d'ingénieures et d'ingénieurs», explique M. Frimmer. Les ingénieures et ingénieurs quantiques sont une race à part, explique-t-il: elles et ils connaissent bien l'ingénierie traditionnelle, mais sont tout aussi à l'aise à la pointe de la science quantique.

Un programme pionnier

Le professeur Frimmer est le responsable du programme et l'un des concepteurs du master en ingénierie quantique de l'ETH Zurich, d'une durée de deux ans. Lorsque ce programme a été lancé en 2019, il était l'un des premiers au monde à combiner un diplôme d'ingénierie traditionnel avec une spécialisation en science quantique. Bien qu'il fasse officiellement partie du département des technologies de l'information et de l'électrotechnique, il est géré en collaboration avec le département de physique. Cela signifie que les étudiants peuvent choisir des cours dans les deux départements et adapter le cours à leurs intérêts personnels.

Dès le départ, le programme met l'accent sur l'apprentissage pratique et les applications concrètes. Au deuxième semestre, les étudiantes et étudiants travaillent déjà sur un projet semestriel de plusieurs semaines, qu'ils peuvent mener dans un groupe de recherche de l'ETH Zurich, dans une autre université ou avec un partenaire industriel. Au cours de leur deuxième année, elles et ils collaborent en équipes de quatre pour développer leurs premières applications quantiques, soit dans les laboratoires de l'école polytechnique, soit avec des partenaires industriels. Actuellement, le programme attire environ 30 nouvelles recrues chaque année, dont 20 à 30 % de femmes.

Après avoir obtenu un bachelor en physique et ingénierie à Milan, Sophie Cavallini a fait partie de l'une des premières cohortes du programme de master de l'ETH Zurich, qu'elle a achevé l'année dernière. «J'ai particulièrement apprécié l'approche pratique, qui était très différente de celle à laquelle j'étais habituée en Italie», dit-elle. «Les projets sur lesquels nous avons travaillé étaient vraiment ambitieux, parfois même un peu futuristes. Pour la partie pratique de ses études, elle a rejoint le groupe de Jonathan Home au département de physique. Après avoir obtenu son diplôme, elle a immédiatement entamé ses études doctorales dans le même groupe. «Nous piégeons les ions à l'aide de champs électromagnétiques et nous leur envoyons des lasers pour modifier leur état énergétique», explique-t-elle en résumant son travail.

Son objectif à long terme est de développer des puces photoniques intégrées qui utilisent la lumière au lieu du courant électrique. «La technologie sur laquelle nous travaillons n'est pas seulement essentielle à l'informatique quantique, elle pourrait aussi, par exemple, ouvrir la voie à une nouvelle génération de biocapteurs», explique-t-elle. Pendant ses études, Sophie Cavallini, 24 ans, s'est fortement impliquée dans la Commission d'ingénierie quantique, une association d'étudiantes et d'étudiants qui organise des barbecues d'été, des fondues festives, un journal club hebdomadaire où des scientifiques invités peuvent présenter leurs derniers travaux, des échanges avec d'autres universités et des visites d'entreprises. «Je n'imaginais pas qu'il serait aussi amusant de socialiser avec mes camarades de classe», confie la jeune chercheuse.

Elle a notamment participé à l'organisation de deux hackathons quantiques sur le campus de Hönggerberg. Chacun de ces hackathons a réuni 100 étudiantes et étudiants venus de toute l'Europe, qui ont passé 48 heures à travailler sur un défi d'ingénierie quantique. Tout au long de l'événement, ils ont été soutenus par des mentors issus du secteur privé et du monde de la recherche. «Les meilleurs moments sont les amitiés que l'on noue et les personnes que l'on rencontre dans d'autres universités», explique-t-elle. «Parfois, on les retrouve lors de conférences ou de programmes de formation à l'étranger. Le hackathon étant soutenu par des partenaires industriels, c'est aussi un moyen facile d'entrer en contact avec de futurs employeurs potentiels.»

De l'Islande à l'ETH Zurich

Björn Josteinsson est l'un des premiers diplômés du programme de master. Depuis 2022, il travaille chez QZabre, une spin-off de l'ETH Zurich qui développe des microscopes quantiques. L'entreprise utilise des centres de vacance de l'azote (NV) dans le diamant pour mesurer les champs magnétiques et électriques, les densités de courant et les températures à l'échelle du nanomètre. «J'ai l'occasion de travailler à la pointe d'une technologie révolutionnaire», déclare-t-il. «Nous mettons au point des techniques de mesure qui ouvrent de toutes nouvelles perspectives.»

Le chercheur de 28 ans a grandi en Islande où il a étudié la physique à l'université. C'est au cours de ses études de premier cycle qu'il a découvert la mécanique quantique. «Je voulais approfondir la théorie quantique, mais je voulais aussi la mettre en pratique», explique-t-il. Ce type de cours n'était pas disponible en Islande, mais l'offre de Zurich répondait à toutes les attentes. Pendant ses études, il se sentait souvent comme un enfant dans un magasin de bonbons : «Il y a tellement de laboratoires ici qui travaillent sur des expériences quantiques fascinantes, et nous avons pu participer à presque toutes. C'était fantastique !» Son premier contact avec QZabre a eu lieu lors de son stage d'étudiant. Entre-temps, un autre diplômé du programme a rejoint l'entreprise, et la plupart des stagiaires de QZabre sont également issus du master en ingénierie quantique de l'ETH Zurich.

Selon Martin Frimmer, le programme de master offre déjà d'excellentes perspectives de carrière. «Presque toutes les grandes entreprises technologiques mènent des recherches sur les applications quantiques», explique-t-il. Google, Microsoft, Amazon ainsi que les industries chimiques et pharmaceutiques ont toutes des équipes qui travaillent dans ce domaine. Bien que les produits basés sur l'ingénierie quantique soient encore peu nombreux et qu'un véritable ordinateur quantique soit encore loin, le professeur note que l'intérêt de l'industrie ne cesse de croître.

Pôle international

«Lorsqu'il s'est agi d'élaborer le programme d'études, nous avons rapidement réalisé que nous pouvions compter sur un soutien pratique extérieur à l'université plutôt que de tout faire nous-mêmes», explique Martin Frimmer. Il ajoute qu'un grand nombre de cours et de projets sont désormais organisés en étroite collaboration avec des partenaires industriels, et que le nombre de grandes entreprises et de petites start-up travaillant dans ce domaine a fait de Zurich une sorte de plaque tournante internationale en matière de quantique. Au cours des trois dernières années, il a observé un nombre croissant de diplômés optant pour des postes dans l'industrie plutôt que de poursuivre la voie traditionnelle du doctorat. Selon lui, cette tendance démontre que la mécanique quantique est passée d'une recherche purement théorique à une discipline d'ingénierie mature, une évolution qui aurait sans aucun doute étonné des pionniers comme Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger.