Segmentation d'une chaîne de boîtes quantiques et lecture complète d'un état de spin à deux électrons Les qubits de spin stockés dans des boites quantiques de semi-conducteurs ont été identifiés comme une plate-forme possible pour l'informatique quantique à grande échelle.Aujourd'hui, un effort continu de la communauté vise à la mise à l'échelle de tels systèmes en remplissant des tableaux de plus en plus grands.Dans ce contexte, le développement de protocoles de réglage des paramètres et de lecture permettant de réduire la complexité inhérente de tels systèmes apparaît comme une nécessité.Dans la première partie de ma thèse, je démontre le partitionnement en réseau de trois boites quantiques couplées linéairement définies dans une hétérostructure AlGaAs/GaAs via un haut niveau de contrôle sur le couplage inter-boite quantique.Cela nous permet de faire fonctionner indépendamment des sections plus petites du réseau, ce qui réduit le nombre d'états de charge disponibles pour le système et réduit donc sa complexité lors de sa mise en opération.La deuxième partie de ma thèse porte sur la réduction de la surcharge matérielle nécessaire pour extraire des informations lors de la lecture des qubits de spin.Dans les qubits de spin à semi-conducteurs, une lecture haute fidélité est obtenue grâce au blocage de spin de Pauli dans une double boite quantique avec deux électrons sondés par un électromètre local.Un électron est le qubit, le second est l'ancilla et un seul bit d'information est extrait.Pour obtenir les informations complètes sur deux bits des états de spin à deux électrons, davantage de matériel quantique est nécessaire (soit des boites quantiques, des électromètres ou des réservoirs).Sur la base d'un protocole original, je développe dans cette thèse une procédure complète de lecture d'états de spin à deux électrons dans une boîte quantique double discriminant entre S, T_0, T_+ et T_- .Ce protocole utilise successivement trois manipulations et trois conversions spin vers charge entrelacés avec des mesures de configuration de charge.La stratégie repose sur quatre nouvelles réalisations expérimentales :Tout d'abord, le contrôle du régime GHz au régime sub-Hz du couplage tunnel inter-boites à l'échelle de la nanoseconde.Deuxièmement, la séparation de la conversion spin-charge et de la lecture de charge dans l'espace définti par les tensions de grilles de l'échantillon.Troisièmement, la suppression du processus de relaxation de spin pendant la procédure de lecture.Enfin, la répétition de trois protocoles de conversion spin-to-charge distincts.La procédure de lecture est testée sur diverses populations initialisées et mise en œuvre dans des séquences de manipulation de spin plus complexes pour évaluer sa validité.
Segmentation d'une chaîne de boîtes quantiques et lecture complète d'un état de spin à deux électrons Les qubits de spin stockés dans des boites quantiques de semi-conducteurs ont été identifiés comme une plate-forme possible pour l'informatique quantique à grande échelle.Aujourd'hui, un effort continu de la communauté vise à la mise à l'échelle de tels systèmes en remplissant des tableaux de plus en plus grands.Dans ce contexte, le développement de protocoles de réglage des paramètres et de lecture permettant de réduire la complexité inhérente de tels systèmes apparaît comme une nécessité.Dans la première partie de ma thèse, je démontre le partitionnement en réseau de trois boites quantiques couplées linéairement définies dans une hétérostructure AlGaAs/GaAs via un haut niveau de contrôle sur le couplage inter-boite quantique.Cela nous permet de faire fonctionner indépendamment des sections plus petites du réseau, ce qui réduit le nombre d'états de charge disponibles pour le système et réduit donc sa complexité lors de sa mise en opération.La deuxième partie de ma thèse porte sur la réduction de la surcharge matérielle nécessaire pour extraire des informations lors de la lecture des qubits de spin.Dans les qubits de spin à semi-conducteurs, une lecture haute fidélité est obtenue grâce au blocage de spin de Pauli dans une double boite quantique avec deux électrons sondés par un électromètre local.Un électron est le qubit, le second est l'ancilla et un seul bit d'information est extrait.Pour obtenir les informations complètes sur deux bits des états de spin à deux électrons, davantage de matériel quantique est nécessaire (soit des boites quantiques, des électromètres ou des réservoirs).Sur la base d'un protocole original, je développe dans cette thèse une procédure complète de lecture d'états de spin à deux électrons dans une boîte quantique double discriminant entre S, T_0, T_+ et T_- .Ce protocole utilise successivement trois manipulations et trois conversions spin vers charge entrelacés avec des mesures de configuration de charge.La stratégie repose sur quatre nouvelles réalisations expérimentales :Tout d'abord, le contrôle du régime GHz au régime sub-Hz du couplage tunnel inter-boites à l'échelle de la nanoseconde.Deuxièmement, la séparation de la conversion spin-charge et de la lecture de charge dans l'espace définti par les tensions de grilles de l'échantillon.Troisièmement, la suppression du processus de relaxation de spin pendant la procédure de lecture.Enfin, la répétition de trois protocoles de conversion spin-to-charge distincts.La procédure de lecture est testée sur diverses populations initialisées et mise en œuvre dans des séquences de manipulation de spin plus complexes pour évaluer sa validité.
Transport cohérent des spins d’électrons dans des boîtes quantiques couplées De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions.
Transport d'information de spin à l'échelle de l'électron unique L'usage du spin des électrons pour le traitement de l'information est devenu un vaste sujet de recherche aujourd'hui, notamment grâce aux nombreuses possibilités qui en découlent. Les recherches actuelles s'étendent de la génération de courants polarisés en spin à la manipulation cohérente de spin d'électrons uniques dans des boîtes quantiques, avec des applications en électronique de spin ou en information quantique. L'objectif de cette thèse est d'étendre le développement de l'électronique de spin à l'échelle de l'électron unique. Pour cela, nous cherchons à accomplir le transport cohérent d'un spin d'électron entre deux boites quantiques. Cela constituerait un moyen prometteur d'interconnecter les différents nœuds d'un nanoprocesseur quantique. Le principe utilisé repose sur l'emploi d'ondes acoustiques de surface qui, grâce aux propriétés piézoélectriques du matériau, permettent la génération de boites quantiques en mouvement. Tout d'abord, une étude de l'injection d'un électron dans une de ces boites quantiques en mouvement a été effectuée. Le contrôle à la nanoseconde de ce processus a été démontré grâce à l'application de pulses de tension modifiant pendant un bref instant le potentiel qui confine l'électron. Dans un deuxième temps, la préparation d'une superposition cohérente d'états de spin a été réalisée à l'aide d'une double boite quantique isolée, dans une position compatible avec le transport par onde acoustique de surface. Enfin, le transport d'information de spin, codée sur un unique ou sur deux électrons, a été accompli avec une fidélité atteignant 30%.
Traitement intégré pour la lecture massive de bits quantiques L’informatique quantique promet de nombreuses révolutions dans divers domaines en permettant de réaliser des calculs massivement parallèles actuellement inaccessibles aux ordinateurs classiques. Cependant, pour atteindre un ordinateur quantique tolérant aux fautes et pleinement opérationnel, il faudra disposer de millions de bits quantiques (qubits) fonctionnant à des températures cryogéniques. De plus, la manipulation, le contrôle et la lecture d’un si grand nombre de qubits représentent un défi crucial, pour lequel l’électronique intégrée cryogénique (Cryo-CMOS) s’est déjà révélée être une candidate prometteuse. Ce travail de doctorat vise à explorer la mise en oeuvre d’une architecture de lecture intégrée compatible avec un grand nombre de qubits, ce qui sera essentiel pour la lecture future de millions de qubits. La première étape a été l’identification d’une limitation dans l’état de l’art des architectures cryo-CMOS de lecture à grande échelle pour la lecture de qubits de spin. Ces architectures nécessitent typiquement des inductances difficilement intégrables, dont la taille est prohibitive par rapport à celle des qubits, ce qui les rendra rapidement limitantes avec l’augmentation du nombre de qubits. Afin d’adresser ce problème, nous avons proposé une architecture de lecture de courant multiplexée en fréquence, qui peut être complètement intégrée et n’utilise pas d’inductances. De plus, nous avons introduit l’utilisation des électromètres comme modulateur afin de réaliser des modulations d’ordres supérieurs. Cela permet effectivement d’augmenter la capacité théorique de notre architecture de lecture multiplexée en courant et ouvre la voie à la lecture de plusieurs qubits par fréquence de porteuse. Nous avons ensuite mis en évidence la topologie de l’amplificateur transimpédance à rétroaction capacitive (CTIA) comme une candidate prometteuse pour la mise en oeuvre de notre architecture de lecture. Face aux limitations de la modélisation de cette topologie, nous avons développé un modèle complet décrivant sa réponse fréquentielle, son bruit et sa stabilité. En utilisant ce modèle, nous avons pu démontrer que la topologie CTIA offre de meilleures performances que la topologie d’amplificateur transimpédance à rétroaction résistive (RTIA) déjà démontrée. Finalement, cela nous a permis d’établir une stratégie de conception claire pour relever les défis liés à la conception d’un CTIA pour des applications cryogéniques. Deux circuits ont été conçus en utilisant deux noeuds technologiques (28nm et 22nm), intégrant des électromètres, un CTIA et un buffer, afin de démontrer notre lecture multiplexée par lecture de courant. Le bon fonctionnement de notre CTIA et de notre buffer à 4,2K a ensuite été validé pour les deux circuits conçus, en tirant parti de la flexibilité implémentée lors de la conception et de la polarisation des grilles enterrées, rendue possible par les technologies FDSOI. En utilisant notre CTIA et buffer placés à 4,2K, nous avons caractérisé avec succès plusieurs électromètres conçus dans deux technologies commerciales différentes, en utilisant des mesures de conductance gds et de transconductance gm. Nous avons ensuite démontré le premier multiplexage en fréquence de plusieurs électromètres utilisant de l’électronique Cryo-CMOS, sans nécessiter d’inductances. Puis, nous avons réussi la première lecture de plusieurs électromètres avec une modulation de haut ordre, permettant ainsi de lire plusieurs électromètres par fréquence de porteuse. De plus, les performances obtenues lors de ces deux démonstrations, en termes de temps de lecture, de consommation et d’empreinte, sont compétitives par rapport à l’état de l’art, ce qui ouvre la voie à des architectures intégrées compactes pour la lecture d’un grand nombre de qubits
Les boîtes quantiques semiconductrices intégrées dans des cavités photoniques sont des émetteurs prometteurs de photons uniques pour les technologies quantiques photoniques. En outre, une boîte quantique peut confiner un porteur de charge unique (électron ou trou) dont le spin peut être utilisé comme mémoire locale, ce qui ouvre la voie à des applications intéressantes. En 2009, il a été proposé d'utiliser ces boîtes quantiques chargées pour émettre de grands états intriqués comprenant le spin confiné et de nombreux photons. Ces états dits de "cluster" présentent un intérêt particulier pour l'informatique quantique photonique et basée sur la mesure. Le défi de la génération de ces états quantiques réside dans la combinaison de la production efficace de photons avec le contrôle du spin confiné : si les deux aspects ont été démontrés séparément, leur combinaison ne l'a pas encore été jusqu'à présent. Dans cette thèse, nous utilisons des boîtes quantiques semi-conductrices pour générer expérimentalement des états intriqués de spin et de photons. Pour ce faire, nous nous appuyons sur une technique d'excitation hors résonance, assistée par phonon, pour générer des photons uniques de manière efficace, tout en préservant l'accès au spin par le biais de la polarisation des photons émis. Nous explorons la physique des spins uniques dans la boîte quantique, en caractérisant en particulier leurs propriétés de cohérence. Nous utilisons ensuite une boîte quantique chargée couplée à une cavité pour générer des états intriqués tripartites comprenant le spin et deux photons indiscernables, démontrant ainsi pour la première fois la mise en œuvre du protocole de 2009 avec une boîte quantique dans une cavité tridimensionnelle. Enfin, nous explorons également l'utilisation d'une boîte quantique neutre pour générer des états quantiques photoniques hyperencodés, où un photon unique est dans une superposition de plusieurs degrés de liberté.
Nous présentons dans cette thèse une étude détaillée du moment magnétique intrinsèque de l'électron, i.e. le spin électronique, incluant la manipulation quantique cohérente des états de spin de trois électrons couplés. À cette fin, nous utilisons des boîtes quantiques latérales pour confiner les électrons. Ces nano-structures, d'une grandeur autour de 1 [micro]m, permettent de confiner un nombre précis d'électrons de façon contrôlée, allant jusqu'à zéro électrons [sic]. Les développements technologiques et d'ingéniosité durant la dernière décennie ont permis de coupler trois boîtes quantiques, ainsi l'interaction entre plusieurs électrons confinés peut être contrôlée comme par exemple le couplage quantique tunnel et l'interaction d'échange entre les spins de chacun d'entre eux. À l'aide de boîtes quantiques couplées, il est possible de réaliser des expériences dans plusieurs domaines de la physique moderne : les états up et down du spin des électrons confinés peuvent être utilisés comme états quantiques binaires (qubits) dans le domaine de l'informatique quantique, la non-localité quantique peut être testée en séparant spatialement deux électrons enchevêtrés, il est possible de créer des 'courants de spin enchevêtrés' utiles en spintronique, et bien d'autres. La manipulation cohérente des états de spin du système à trois électrons se fait de façon purement électrique grâce à des pulses à haute fréquence qui permettent d'augmenter le couplage entre les électrons et de faire la mesure de l'état résultant après la manipulation. Nous utilisons l'interaction hyperfine entre les spins des électrons et ceux des noyaux du cristal dans lequel ils résident pour créer les rotations quantiques entre les états, notamment les états [barre verticale]Q[indice inférieur +3/2] [right angle bracket] et [barre verticale]D[indice inférieur +1/2] [right angle bracket]. Les résultats obtenus indiquent un temps de cohérence de l'ordre de 10 ns. Ces expériences démontrent un niveau de contrôle sans précédent de boîtes quantiques triples et pavent la voie vers des nano-structures plus sophistiquées dans lesquelles un plus grand nombre de qubits peuvent être couplés.
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.