Abstract Nous présentons la version 3.0 du Lozac'h Double Qubit, corrigeant une erreur fondamentale de la v2.0 : la simulation de crosstalk A-B utilisait un préfacteur arbitraire (saturation à 50% codée en dur), sans base physique. Le calcul rigoureux du couplage dipolaire magnétique réel donne J = 8.27×10⁻⁶ Hz à 10 µm de séparation, soit un temps de couplage de 33 heures et un crosstalk de 0.000000% sur 200 µs — quatre ordres de grandeur sous le critère Go de 12%. Deux mécanismes additionnels ont été simulés : le bruit de champ magnétique commun B₀ (crosstalk < 0.031% même en labo non blindé) et le couplage via phonons différentiels du graphite (< 10% au pic à 2.17 GHz, < 5% avec HOPG réel amorti). L'architecture est validée sur les trois mécanismes. Les temps de cohérence réalistes restent T2 = 2-12 µs (spins électroniques, verre amorphe, 233 K). Le modèle thermique donne keff = 3.3-4.4 W/m·K pour du HOPG commercial. La comparaison marché confirme un positionnement unique : démonstrateur 2 qubits à < 10 k€ sans cryogénie, compatible CMOS, sur wafer 100 mm.
Abstract Nous présentons la version 3.0 du Lozac'h Double Qubit, corrigeant une erreur fondamentale de la v2.0 : la simulation de crosstalk A-B utilisait un préfacteur arbitraire (saturation à 50% codée en dur), sans base physique. Le calcul rigoureux du couplage dipolaire magnétique réel donne J = 8.27×10⁻⁶ Hz à 10 µm de séparation, soit un temps de couplage de 33 heures et un crosstalk de 0.000000% sur 200 µs — quatre ordres de grandeur sous le critère Go de 12%. Deux mécanismes additionnels ont été simulés : le bruit de champ magnétique commun B₀ (crosstalk < 0.031% même en labo non blindé) et le couplage via phonons différentiels du graphite (< 10% au pic à 2.17 GHz, < 5% avec HOPG réel amorti). L'architecture est validée sur les trois mécanismes. Les temps de cohérence réalistes restent T2 = 2-12 µs (spins électroniques, verre amorphe, 233 K). Le modèle thermique donne keff = 3.3-4.4 W/m·K pour du HOPG commercial. La comparaison marché confirme un positionnement unique : démonstrateur 2 qubits à < 10 k€ sans cryogénie, compatible CMOS, sur wafer 100 mm.
Abstract Nous présentons la version 2.0, dite "Réaliste Edition", du Lozac'h Double Qubit : un système à deux qubits de spin couplés, fabriqué à partir de verre borosilicate dopé bore (3-5% B) sur graphite pyrolytique (HOPG), avec une couche de couplage en nitrure de bore hexagonal (h-BN, 8 nm) intégrant une électrode en or de 2 nm servant de porte RF commutable. Par rapport à la version 1.0, cette version adopte des paramètres de cohérence réalistes pour un verre amorphe : T2 (spins électroniques) = 2-12 µs à 233 K, contre des valeurs optimistes de 100 ms précédemment annoncées. Les simulations numériques (Hahn Echo, oscillations de Rabi, crosstalk A-B) sont présentées et discutées honnêtement, incluant leurs limitations. Le modèle thermique prédit keff = 3.3-4.4 W/m·K pour du HOPG commercial (k_graphite = 4-6 W/m·K cross-plane). La comparaison avec les plateformes concurrentes (supraconducteurs, diamant NV, ions piégés, SiC) montre que cette architecture occupe un créneau unique : coût < 10 k€ pour un démonstrateur complet, sans cryogénie lourde, compatible CMOS. Mots-clés : qubit, verre boré, graphite, h-BN, couplage RF, température ambiante.
La double boîte quantique (DBQ) à électron unique sur silicium est une architecture très prometteuse pour la réalisation d'un qubit physique. D'une part, les très longs temps de cohérence du spin électronique sur semiconducteurs du groupe IV permettent la fabrication de qubits ayant de très longs temps de vie. D'autre part, la susceptibilité électrique des états de charge d'un électron unique dans une DBQ permet de manipuler rapidement l'état du qubit par résonance magnétique de spin, ou encore de faire interagir plusieurs spins distants via un résonateur micro-ondes pour une connectivité accrue au sein du processeur quantique. Un couplage entre les degrés de liberté de spin et de charge de l'électron, médié par le gradient de champ magnétique engendré par un microaimant, permet la réalisation d'un qubit dont le caractère de spin ou de charge peut être contrôlé dynamiquement par la modulation des tensions des grilles du dispositif. Cette versatilité propre à l'architecture, combinée à l'infrastructure déjà en place à l'échelle mondiale pour la fabrication de dispositifs en silicium, font de la DBQ un candidat de qubit très intéressant. L'opération optimale de ce type de qubit dans le cadre d'un calcul quantique requiert toutefois un degré de contrôle accru sur son régime d'opération, caractérisé par les tensions appliquées aux grilles métalliques qui définissent la DBQ. De façon générale, la modification du hamiltonien d'un système quantique est faite de façon adiabatique, ce qui permet de changer l'espacement relatif des niveaux d'énergie permis sans modifier la population relative de ces états. Or, des travaux dans le domaine du contrôle quantique ont montré que l'application de signaux de contrôle exotiques optimaux permettent d'exécuter ce type de manipulation sans avoir recours au régime adiabatique, atteignant une fidélité d'état plus élevée ou encore des séquences de transfert plus rapides. Les travaux de recherche détaillés dans le présent mémoire portent sur la mise en place d'un protocole permettant la conception de signaux de contrôle pour la manipulation haute-fidélité du régime d'opération d'un qubit de spin à électron unique sur double boîte quantique. Le protocole repose sur la méthode d'optimisation GRAPE (\textit{GRadient Ascent Pulse Engineering}) pour générer des séquences de contrôle qui modifient le caractère de spin ou de charge du qubit, tout en préservant avec haute fidélité l'information quantique qui y est encodée. Ces signaux de contrôle permettent de transférer le système d'une configuration de spin à une configuration de charge près de quatre fois plus rapidement dans le cas où l'état du qubit est un état-propre de son hamiltonien, et avec une réduction de l'erreur de fidélité de plus de 80% pour un état logique arbitraire.
Le travail aborde deux grandes problématiques d'actualité des systèmes quantiques. La première concerne les systèmes quantiques ouverts, typiquement un bit quantique (qubit) couplé à un bain. Dans cette partie on présente l'étude de la décohérence et la relaxation du qubit. La seconde partie concerne les systèmes quantiques isolés. Dans cette partie on présente l'étude de la thermalisation de deux systèmes quantiques macroscopiques après un quench Décohérence et relaxation d'un qubit. L'étude de la dynamique réduite d'un qubit couplé à un réservoir est intéressant pour deux points de vue complémentaires, l'un lié à l'informatique quantique et l'autre lié à la physique quantique de N corps. Pour construire des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de comprendre l'effet de l'environnement sur la décohérence des qubits. D'autre part, d'un point de vue de la physique des systèmes quantiques, ou bien des systèmes quantiques hors équilibre, les qubits peuvent être utilisés pour mesurer et comprendre les propriétés thermodynamiques et dynamiques du bain. Dans ce second sens, tout à fait d'actualité, il existent nombreux travaux théoriques et expérimentales récentes. Des expériences récentes suggèrent utiliser des dispositifs semi-conducteurs tels que les Josephson jonctions ou des spins dans les boîtes quantiques pour l'informatique et la communication quantique. Ces appareils ont l'avantage de taille par rapport aux autres systèmes physiques qui ont également été proposées pour l'informatique quantique, comme des atomes en cavité, les ions piégés dans un champ magnétique ou des molécules en résonance magnétique nucléaire . L'unité de base de ces dispositifs est un système quantique à deux niveaux, connu dans la littérature comme un quantum bit ou qubit. L'utilisation de bits quantiques (qubits) dans n'importe quel contexte est limitée par interaction avec leur environnement (réservoir ou bain). En fait, l'interaction leur fait perdre leur caractère quantique, un processus appelé décohérence. Les premiers études qui ont modelé la perte de la cohérence sont ceux de Caldeira et Leggett dans les années quatre-vingt. Dans ces études le réservoir était composé des bosons indépendants. Le modèle proposé, appelé Spin-Boson, est pertinente lorsque l'on considère un bain des photons ou des phonons. Cependant, dans le cas des dispositifs semi-conducteurs mentionnés au paragraphe précédent, des expériences ont montré qu'il est nécessaire d'envisager des réservoirs plus complexes composés des spins et électrons en interaction. De plus, il est important de considérer les effets non markoviens (effets de mémoire sur la dynamique des qubits. Le traitement théorique de bains quantiques avec interactions est beaucoup plus difficile que le traitement pour le bain des bosons indépendants et nous devons recourir à des méthodes théoriques puissantes. Le chapitre introductif présente les techniques d'opérateurs de projection qui sert a dériver les équations maîtresses qui régissent l'évolution du qubit, dans la thèse on se concentre sur les approximations Nakajima Zwanzig (NZ) et Time convolutionless technique (TCL). Ces techniques sont élégantes et, bien que perturbatives, sont capables de décrire certains aspects non markoviens de la dynamique. Nous avons étudie dans une première partie, la décohérence et relaxation d'un qubit couplé a un bain électronique sans interaction décrivant un métal ou un semi-conducteur Les résultats reflètent la richesse car la dynamique réduite du qubit dépend de façon subtile de plusieurs paramètres: la densité d'états des électrons, le champ magnétique, etc. Dans le chapitre 3 nous avons considéré un qubit couplé à un bain possédant un ordre supraconducteur. Pour un couplage de type Kondo à température fini nous avons trouvé une décohérence et relaxation non markoviens et ultra rapides, pour un couplage direct au paramètre d'ordre nous avons trouvé une dynamique plus complexe qui dépend des conditions initiales. Pour certaines conditions initiales la dynamique est sensible aux fluctuations de spin et ressemble a la situation du couplage Kondo. Pour autres conditions initiales, la dynamique est sensible aux fluctuations de charge et relaxe de façon markovien. Ces résultats donnent des pistes pour réduire les effets de décohérence dans les dispositifs et motivent des nombreux questions. Ces travaux ont aboutit à la publication des articles suivantes: Effect of a gap on the decoherence of a qubit J. Restrepo, E. Dupont, S. Camalet, R. Chitra (submitted to Phys Rev B) Decoherence induced by an ordered environment J. Restrepo, S. Camalet, R. Chitra (in preparation) Thermalisation d'un système quantique isolé. L'étude de la dynamique hors équilibre après un quench est devenu particulièrement d'actualité depuis l'avènement des expériences d'atomes ultra-froids qui représentent des systèmes quantiques isolés idéaux Pour les systèmes quantiques, la plupart des questions fondamentales sur la thermalisations restent ouvertes. Il y a deux types de questions : Quel est l'état asymptotique après un quench ? Est-il un état d'équilibre ? Quels sont les mécanismes qui expliquent la thermalisation ? Jusqu'au présent, il existent soit des hypothèses générales avec aucune preuve rigoureuse soit des résultats particuliers. Les résultats sont obtenus analytiquement lorsque le système est intégrable et numériquement quand il ne l'est pas. Dans notre travail (chapitre 4), nous abordons la question de la stabilité de l'équilibre thermique dans les systèmes quantiques, nous modélisons les systèmes quantiques par des champs bosoniques libres. L intérêt de ce modèle est de pouvoir apporter des réponses claires à certaines des questions fondamentales sur la thermalisation. Il a deux ingrédients intéressantes. Tout d'abord, il considère un état initial qui n'est pas l'état fondamental. Deuxièmement, il considère un système composite où les deux parties sont de taille comparable, ce qui permet de voir comment l'état asymptotique est atteint dans l'espace. L'effet d'avoir des champs bosoniques libres conduit à un hamiltonien quadratique pour lequel on a calculé l'énergie et les fonctions de corrélation de façon exacte aux temps longs. Ainsi on a pu montré que dans le cas d'un contact thermique modifié soudainement, le système n'atteint pas un état stationnaire, et il ne se produit pas de relaxation. Ces résultats peuvent en fait être partiellement compris du fait de la nature particulière du spectre des excitations. Néanmoins, ils motivent des nombreuses questions. Ce travail a abouti à la publication de l'article suivante: Sudden Change of the thermal contact between two quantum systems New Journal of Physics 12 055011, 2010.
Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.
Ce document présente la version corrigée de l'architecture P-CBAM-256, un supercalculateur photonique massivement parallèle composé de 256 matrices de calcul interconnectées, exploitant 16 777 216 cellules élémentaires à défauts de spin V⁻ʙ dans la nitrure de bore hexagonal (hBN). La version 1.0 de cette architecture proposait un fonctionnement à 77 K pour « prolonger le temps de cohérence de spin T2 » ; Cette hypothèse s'est révélée non soutenue par la littérature expérimentale, qui a établi que T2 du V⁻ʙ est gouverné par le bain de spins nucléaires environnants et reste quasiment indépendant de la température entre 50 K et 300 K. La présente version corrige cette erreur, supprime le poste de cryogénie associé, et révise le facteur de codage par cellule de B=2 à B=1 bit/cycle après vérification que la dégénérescence du canal de lecture optique du V⁻ʙ ne permet pas une discrimination simultanée des deux sous-niveaux de spin sombres. L'architecture corrigée, fonctionnant à température ambiante, délivre un débit global théorique de 3 355 Tb/s (≈ 419 To/s) pour un coût d'infrastructure augmentant à 27,7 M€, contre 67,1 Tb/s et 29,1 M€ dans la version non corrigée.