Architecture et conception d'une boucle de rétroaction à température ambiante entre les chaînes de mesure et de contrôle de Qubits semi-conducteurs à température cryogénique Des milliards de transistors se trouvent dans nos poches, alimentant des smartphones, des ordinateurs et d'autres dispositifs numériques. La loi de Moore a prédit la croissance exponentielle de la densité des transistors, permettant aux matériels informatiques classiques de se développer à un rythme incroyable. Cependant, ces dernières années, cette tendance a ralenti en raison des limites physiques et économiques à la miniaturisation des transistors. Alors que le passage à l'échelle du matériel classique devient plus difficile, l’informatique quantique a émergé comme une solution prometteuse. L'ironie réside dans le fait que les ordinateurs quantiques dépendent encore des machines classiques pour fonctionner. Alors que la communauté scientifique s’efforce de repousser les limites du passage à l'échelle des ordinateurs quantiques, le matériel classique continue de devenir plus gourmand en ressources et complexe. Ce travail, à l'intersection de la physique et de l'ingénierie matérielle, vise à concevoir et à mettre en œuvre une architecture numérique répondant aux exigences d’un ordinateur quantique à grande échelle (LSQ).Après une contextualisation initiale, nous analysons les exigences d'un LSQ, en partant des principes fondamentaux de contrôle et de mesure de l'information quantique et des mécanismes de rétroaction plus complexes. Nous démontrons que les systèmes conçus pour répondre aux besoins futurs des LSQs ont des exigences fortes en termes de passage à l'échelle, de flexibilité et d'opérations à faible latence notamment pour répondre aux besoins de calibration et de correction d'erreur quantique des LSQ. Bien que les cartes de matériel reprogrammable (FPGAs) n'offrent pas un passage à l'échelle et une latence suffisantes pour les aspects critiques des LSQs, elles sont bien adaptées à l'exploration architecturale et aux besoins actuels des dispositifs quantiques. Notre analyse se concentre sur les qubits de spin, qui utilisent le spin de l'électron, une propriété quantique semblable à un moment magnétique, pour encoder l'information quantique, tout en discutant également des connexions avec d'autres plateformes de qubits.Ensuite, nous présentons une architecture de synthèse numérique directe compacte et adaptée au contrôle quantique des qubits de spin, appelée FASQuiC. Cette architecture est capable de générer des combinaisons programmables de rampes, de peignes de fréquences et de génération de signaux arbitraires (AWG) à 5 GS/s, avec une latence de retroaction numérique dans le pire des cas de 76,8 ns. Parmi les avantages de FASQuiC figurent une contrôlabilité améliorée des rampes à la fréquence du convertisseur numérique-analogique (DAC) et une réduction significative des besoins en mémoire par rapport aux architectures existantes basées sur des AWG. Le coût matériel pour un seul canal est compact, n'utilisant que 2% des ressources logiques du FPGA dans la configuration par défaut. Il prend également en charge la modulation et la démodulation multiplexées pour une réflectométrie passant à l'échelle et intègre des processeurs à faible coût en ressource au sein d'une architecture distribuée et hétérogène, prête pour des expériences de rétroaction complexes.Nous validons cette architecture par des simulations matérielles et des mesures, démontrant que FASQuiC atteint une génération de signaux de haute qualité pour le pulsage rapide des qubits de spin et la modulation et démodulation multiplexées I/Q. Nous avons également validé par la simulation des expériences de benchmarks aléatoires intégrés et d'initialisation rapide des qubits.Enfin, FASQuiC a été déployé sur dispositifs réels, validant avec succès ses capacités de mesure multiplexées sur un dispositif à double puits quantique. De plus, le contrôle basé sur le pulsage de porte d'un seul qubit a été exécuté, et une expérience de retroaction pour l'initialisation rapide d'un qubit démontre la capacité de FASQuiC à mener des expériences de rétroaction.
Architecture et conception d'une boucle de rétroaction à température ambiante entre les chaînes de mesure et de contrôle de Qubits semi-conducteurs à température cryogénique Des milliards de transistors se trouvent dans nos poches, alimentant des smartphones, des ordinateurs et d'autres dispositifs numériques. La loi de Moore a prédit la croissance exponentielle de la densité des transistors, permettant aux matériels informatiques classiques de se développer à un rythme incroyable. Cependant, ces dernières années, cette tendance a ralenti en raison des limites physiques et économiques à la miniaturisation des transistors. Alors que le passage à l'échelle du matériel classique devient plus difficile, l’informatique quantique a émergé comme une solution prometteuse. L'ironie réside dans le fait que les ordinateurs quantiques dépendent encore des machines classiques pour fonctionner. Alors que la communauté scientifique s’efforce de repousser les limites du passage à l'échelle des ordinateurs quantiques, le matériel classique continue de devenir plus gourmand en ressources et complexe. Ce travail, à l'intersection de la physique et de l'ingénierie matérielle, vise à concevoir et à mettre en œuvre une architecture numérique répondant aux exigences d’un ordinateur quantique à grande échelle (LSQ).Après une contextualisation initiale, nous analysons les exigences d'un LSQ, en partant des principes fondamentaux de contrôle et de mesure de l'information quantique et des mécanismes de rétroaction plus complexes. Nous démontrons que les systèmes conçus pour répondre aux besoins futurs des LSQs ont des exigences fortes en termes de passage à l'échelle, de flexibilité et d'opérations à faible latence notamment pour répondre aux besoins de calibration et de correction d'erreur quantique des LSQ. Bien que les cartes de matériel reprogrammable (FPGAs) n'offrent pas un passage à l'échelle et une latence suffisantes pour les aspects critiques des LSQs, elles sont bien adaptées à l'exploration architecturale et aux besoins actuels des dispositifs quantiques. Notre analyse se concentre sur les qubits de spin, qui utilisent le spin de l'électron, une propriété quantique semblable à un moment magnétique, pour encoder l'information quantique, tout en discutant également des connexions avec d'autres plateformes de qubits.Ensuite, nous présentons une architecture de synthèse numérique directe compacte et adaptée au contrôle quantique des qubits de spin, appelée FASQuiC. Cette architecture est capable de générer des combinaisons programmables de rampes, de peignes de fréquences et de génération de signaux arbitraires (AWG) à 5 GS/s, avec une latence de retroaction numérique dans le pire des cas de 76,8 ns. Parmi les avantages de FASQuiC figurent une contrôlabilité améliorée des rampes à la fréquence du convertisseur numérique-analogique (DAC) et une réduction significative des besoins en mémoire par rapport aux architectures existantes basées sur des AWG. Le coût matériel pour un seul canal est compact, n'utilisant que 2% des ressources logiques du FPGA dans la configuration par défaut. Il prend également en charge la modulation et la démodulation multiplexées pour une réflectométrie passant à l'échelle et intègre des processeurs à faible coût en ressource au sein d'une architecture distribuée et hétérogène, prête pour des expériences de rétroaction complexes.Nous validons cette architecture par des simulations matérielles et des mesures, démontrant que FASQuiC atteint une génération de signaux de haute qualité pour le pulsage rapide des qubits de spin et la modulation et démodulation multiplexées I/Q. Nous avons également validé par la simulation des expériences de benchmarks aléatoires intégrés et d'initialisation rapide des qubits.Enfin, FASQuiC a été déployé sur dispositifs réels, validant avec succès ses capacités de mesure multiplexées sur un dispositif à double puits quantique. De plus, le contrôle basé sur le pulsage de porte d'un seul qubit a été exécuté, et une expérience de retroaction pour l'initialisation rapide d'un qubit démontre la capacité de FASQuiC à mener des expériences de rétroaction.
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
Circuits électroniques à températures cryogéniques pour la lecture massive de qubits de spin Les qubits de spin sur semi-conducteurs constituent une plateforme prometteuse pour le calcul quantique à grande échelle, car ils bénéficient d’une taille réduite et de procédés de fabrication compatibles avec l’industrie des semi-conducteurs. Bien que les qubits de spin fonctionnent à des températures cryogéniques, les circuits électroniques assurant leur contrôle sont généralement placés à température ambiante. Plusieurs milliers de câbles doivent donc traverser le cryostat.Placer l’électronique de contrôle à l’intérieur du cryostat permettrait de limiter les connexions reliant l’étage à température ambiante avec les étages cryogéniques à un petit nombre de câbles portant des signaux basses fréquences. Cette thèse vise à développer des circuits intégrés à températures cryogéniques conçus pour réaliser la lecture par impédancemétrie de qubits de spin et adaptés à une lecture à grande échelle. L’impédancemétrie est une méthode de lecture similaire à la méthode éprouvée de la réflectométrie, mais dans laquelle l’impédance du résonateur connecté au qubit est mesurée directement, ce qui permet d’éviter une optimisation complexe de l’adaptation d’impédance du résonateur. En contrepartie, les circuits de lecture doivent être placés à proximité immédiate des résonateurs.Tout d’abord, nous présentons une étude théorique comparant les performances des lectures par impédancemétrie et par réflectométrie. L'impédancemétrie présente une sensibilité en phase améliorée, étant limitée uniquement par le facteur de qualité interne du résonateur. Cependant, placer le résonateur à une température plus élevée augmente son bruit thermique, limitant le rapport signal sur bruit (SNR). Nous réalisons des simulations montrant que l'impédancemétrie est compatible avec le multiplexage fréquentiel, permettant la lecture de plusieurs qubits par la même chaîne de lecture. Nous concevons ensuite un circuit sur la technologie Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) 28nm pour démontrer le principe de lecture. Les tests sont effectués à 4.2K, bien que le circuit soit compatible avec une utilisation à 500mK. Pendant la caractérisation du circuit, un deuxième LNA discret en SiGe est utilisé. Ce LNA a également été conçu au cours de cette thèse pour être utilisé comme second étage d’amplification d’une lecture par impédancemétrie ou réflectométrie. À 4.2K, le circuit intégré consomme 590µW pour une bande passante de 500MHz. Une capacité numérique est utilisée pour émuler le comportement d’un qubit et évaluer la sensibilité de la chaîne de lecture. La sensibilité est de 35 aF.µV/√Hz à 4.2K, limitée par le bruit thermique du résonateur, avec une amélioration d’un facteur 3 prévue à 500mK.
Les qubits de spin dans des boîtes quantiques sont des candidats prometteurs comme unités de base d'un ordinateur quantique en raison de leur long temps de cohérence. Une approche pour contrôler et manipuler ces qubits est de faire des mesures non destructives sur ceux-ci. Le couplage d'une boîte quantique avec une cavité micro-onde supraconductrice permet d'e ectuer ce type de mesures. Avant de commencer tout calcul quantique, il est nécessaire d'initialiser les qubits dans un état connu. Actuellement, la relaxation contrôlée par un bain thermique et la rétroaction conditionnelle sont deux techniques utilisées pour initialiser un qubit. Ces deux techniques nécessitent de travailler à des températures très basses de l'ordre des dizaines aux centaines de mK avec une délité limitée. En outre, comme les qubits de spin sont généralement des systèmes bien isolés, ils ont des temps de relaxation longs. Ceci fait en sorte qu'une approche passive d'attente que le qubit retourne dans son état fondamental sera typiquement longue, ce qui mènera à un temps d'initialisation appréciable dans un calcul quantique. L'objectif du présent travail est de développer une nouvelle approche active par asservissement qui permet d'atteindre toute délité, qui est rapide et qui permet de travailler à de plus hautes températures de l'ordre du Kelvin, ce qui est important expérimentalement et pour les développements actuels. Pour ce faire, on considère un qubit de spin couplé à un résonateur micro-onde supraconducteur. Le couplage est fait d'une manière dispersive. Ceci permet de réaliser des mesures non-destructives sur le qubit. Des simulations numériques montrent la validité de l'opérateur de mesure utilisé dans cette étude. Le contrôle du qubit se fait directement sur celui-ci en utilisant un opérateur de rotation. La loi de rétroaction consiste à calculer les paramètres de cet opérateur à chaque itération de la boucle de rétroaction. Les résultats numériques incluant la décohérence montrent la possibilité d'initialiser un qubit dans l'état|0i à l'intérieur d'un temps de 2 µs pour une délité minimale xée à 99.9 %.. L'approche est comparée aux méthodes usuelles de relaxation et de rétroaction conditionnelle qui donnent de moins bons résultat.
Le domaine des circuits supraconducteurs a connu une croissance spectaculaire au cours de la dernière décennie et constitue une architecture de premier plan pour l’informatique quantique. Le succès de cette architecture tient en partie à la simplicité du contrôle, à l’évolutivité et à la durée de vie de plus en plus longue du qubit transmon, qui est devenu dominant dans la plupart des processeurs. Bien que la fidélité de la plupart des opérations quantiques sur ces dispositifs dépasse généralement 98− 99%, des améliorations significatives des performances seront nécessaires pour parvenir à un calcul tolérant aux fautes. L’une des principales limites actuelles de ces opérations sur les qubits est due aux “fuites”, c’est-à-dire au peuplement des états d’énergie supérieure du qubit. Ces effets sont difficiles à appréhender d’un point de vue numérique et théorique, car de nombreuses transitions résultent de processus hors résonance qui sont généralement ignorés afin de rendre le problème traitable. En outre, beaucoup de ces effets sont causés par les niveaux d’énergie plus élevés du transmon, présents hors de son potentiel de confinement. Ceux-ci sont également négligés dans les simulations et les études théoriques pour des raisons de simplicité, ce qui entraîne une mauvaise caractérisation de la dynamique. Dans cette thèse, j’étudie comment nous pouvons comprendre, simuler avec précision et supprimer les processus à l’origine d’erreurs résultant de mesures et de contrôles forts sur les qubits transmon. Dans le cadre de ma recherche, je présente une méthode permettant de simuler efficacement des systèmes en présence de commandes à oscillation rapide, et comment celle-ci nous permet d’optimiser les commandes afin d’améliorer la fidélité des opérations. Cette méthode permet une accélération significative par rapport aux intégrateurs numériques traditionnels, et une version de ce solveur est maintenant incluse dans Qiskit Dynamics, un logiciel d’IBM. Je démontre en outre comment un pilote de mesure suffisamment forts pendant la lecture peut non seulement entraîner des fuites, mais aussi la population d’états en dehors du potentiel de confinement du transmon, ce que nous appelons l’“ionisation”. La compréhension de l’impact de ces effets parasites - et de la manière dont ils peuvent être évités - sera cruciale pour l’optimisation et le fonctionnement de la lecture dans les futurs dispositifs. Je conclurai par mes travaux en collaboration avec l’ETH Zurich sur les résultats de lecture de pointe utilisant des transmons et des filtres de Purcell réglables en fonction du flux, et j’expliquerai comment le réglage de la fréquence du transmon peut améliorer la fidélité de la lecture. Cela ouvre une autre voie pour améliorer la lecture des qubits supraconducteurs et nous rapproche potentiellement des applications utiles de ces dispositifs.
Ces dernières années la recherche en informatique quantique a pris son essor,motivée par le développement d’un ordinateur quantique avec des capacités de calculinégalées afin de résoudre des problématiques complexes. Diverses technologies ont déjàémergé pour l’implémentation des processeurs quantiques mais la réalisation de calculateurspeu encombrants reste un objectif à atteindre. L’utilisation des technologies Silicium est unesolution émergente dans la construction d’un ordinateur intégrable à large échelle. À l’heureactuelle les setups de contrôle/lecture des processeurs quantiques sur Silicium nécessitent ladescente de signaux RF à très basse température entraînant une forte limitation dû au grandnombre d’interconnections permettant de conduire individuellement les signaux jusqu’auprocesseur quantique. Le besoin d’étudier des approches vers la mise à l’échelle est doncnécessaire afin de manipuler/lire simultanément plusieurs qubits de spin. Les travauxprésentés dans cette thèse ont pour objectif d’explorer le besoin RF spécifique à la lecturelarge échelle de qubits implémentés sur Silicium. Afin de réaliser cela, l’analyse d’une mesuremulti-qubits basée sur la technique de lecture par réflectométrie sur grille a été menée.L’approche présentée dans cette étude intègre un démultiplexage fréquentiel à bassetempérature et une synthèse de fréquence multi-tons à température ambiante. Ces travaux ontconduit à la proposition d’un prototype de circuit intégré pour la génération de fréquencemulti-tons dont l’architecture innovante fonctionnant dans la gamme de fréquences du GHzest basée sur la recombinaison de deux oscillateurs à génération d’harmoniques.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.