Dr. Pawel Hawrylak

Base

Full Name

Dr. Pawel Hawrylak

Academic Profile

Summary

Using quantum physics to develop quantum communication and sensing

Long description

The Quantum Theory group works to develop theoretical and computational tools enabling the design and understanding of advanced materials, developing new quantum functionalities of materials by nanoscale and molecular engineering and translating these functionalities into quantum devices. These devices include new quantum circuits based on graphene and other 2D crystals, low-power and quantum electronics based on electron spin, photonic devices for secure quantum communication, improved solar energy harvesting and sensing at the single atom, electron, photon and spin level. We are particularly interested in designing emerging properties of materials at the many body level – properties of material which cannot be inferred from the properties of its constituents.

Type of institution

University

Address

University of Ottawa, Laurier Avenue East, Ottawa, ON, Canada

Institution

University of Ottawa

I have a knowledge mobilization grant.

Yes

Website

http://www.uottawa.ca

Industry

Information and cultural industries

Telecommunications, Data processing, hosting, and related services

Video Transcript

Transcription

Transcript (English)

Introduce your team

Good morning. My name is Pawel Hawrylak. I am in the Department of Physics at the University of Ottawa. I am a University Research Chair in Quantum Theory of Materials, Nanostructures and Devices.

Describe your research
What do we do? We develop tools, theoretical and computational, to allow us to understand advanced materials, learn how to engineer their properties at the nanoscale and translate these new functionalities into devices addressing challenges in information and communication technology, in energy harvesting, in sensing and in security.

We are particularly interested in designing properties of materials emerging from a very complex nature of components. When you look at an individual component you cannot guess what the complex systems made of these elements will do.

Let me give you some examples of how we engineer materials at the nanoscale. Imagine that this block of paper is a bulk material: molybdenum disulphide. It is completely useless as an optoelectronic device. This material consists of atomic layers and if I pull one of those layers then we completely change the properties of the material.

For example, if it is molybdenum disulphide it becomes a direct gap semiconductor. It has very unusual properties. A single atomic layer can absorb as much light as 50 layers of a well-known semiconductor, gallium arsenide. Gallium arsenide is found in all optoelectronic devices: lasers or CD players. So perhaps there is a chance to replace gallium arsenide with this new material.

Our work addresses challenges in information and communication technologies. Let’s identify these challenges. The first challenge is that the current technology is not capable of solving many problems that we would like to solve from drug design to the Traveling Salesman Problem.
Explain its significance
Current technology also is very energy inefficient. It consumes a lot of energy and that’s why a lot of companies, like Google, place their servers next to power plants because they use so much energy. The third aspect is that current technology uses rare materials, materials which are simply not available in the Earth’s crust if all the devices are used globally. A fourth deficiency of current information technology is security.

So how do we address these challenges. We address these challenges by developing new quantum technology and these technologies rest on new materials. In summary, we use and develop quantum theory to address challenges in information and communication technologies by developing quantum technologies including quantum computing quantum communication and quantum sensing.
Transcript (French)

Introduisez votre équipe

Bonjour. Je m’appelle Pawel Hawrylak. Je suis au département de physique de l’Université d’Ottawa. Je suis titulaire d’une chaire de recherche universitaire en théorie quantique des matériaux, des nanostructures et des dispositifs.

Decrivez votre recherche
Qu’est-ce qu’on fait? Nous développons des outils, théoriques et informatiques, qui nous permettent de comprendre les matériaux avancés, d’apprendre à concevoir leurs propriétés à l’échelle nanométrique et de traduire ces nouvelles fonctionnalités en dispositifs répondant aux défis des technologies de l’information et de la communication, de la récupération d’énergie, de la détection et de la sécurité.

Nous sommes particulièrement intéressés par la conception de propriétés de matériaux émergeant de composants de nature très complexe. Lorsque vous examinez un composant individuel, vous ne pouvez pas deviner ce que les systèmes complexes constitués de ces éléments feront.

Permettez-moi de vous donner quelques exemples de la manière dont nous concevons des matériaux à l’échelle nanométrique. Imaginez que ce bloc de papier soit un matériau en vrac: le disulfure de molybdène. Il est totalement inutile en tant que dispositif optoélectronique. Ce matériau est constitué de couches atomiques et si je tire une de ces couches, nous modifions complètement les propriétés du matériau.

Par exemple, s’il s’agit de disulfure de molybdène, il devient un semi-conducteur à gap direct. Il a des propriétés très inhabituelles. Une seule couche atomique peut absorber autant de lumière que 50 couches d’un semiconducteur bien connu, l’arséniure de gallium. L’arséniure de gallium est présent dans tous les dispositifs optoélectroniques: lasers ou lecteurs de CD. Il existe donc peut-être une chance de remplacer l’arséniure de gallium par ce nouveau matériau.

Quelle est son importance
Notre travail s’attaque aux défis des technologies de l’information et de la communication. Identifions ces défis. Le premier défi est que la technologie actuelle n’est pas capable de résoudre de nombreux problèmes que nous aimerions résoudre, de la conception de médicaments au Problème du voyageur de commerce.

La technologie actuelle est également très énergivore. Elle consomme beaucoup d’énergie et c’est pourquoi de nombreuses entreprises, telles que Google, installent leurs serveurs à proximité des centrales électriques car elles consomment beaucoup d’énergie. Le troisième aspect est que la technologie actuelle utilise des matériaux rares, des matériaux qui ne seront tout simplement pas disponibles dans la croûte terrestre si tous les appareils sont utilisés dans le monde entier. Une quatrième lacune des technologies de l’information actuelles est la sécurité.

Alors, comment pouvons-nous relever ces défis? Nous répondons à ces défis en développant de nouvelles technologies quantiques et ces technologies reposent sur de nouveaux matériaux. En résumé, nous utilisons et développons la théorie quantique pour relever les défis des technologies de l’information et de la communication en développant des technologies quantiques, notamment la communication quantique en calcul quantique et la détection quantique.