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.
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.
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
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.
Réalisation d'une porte logique à deux qubits à l'aide de qubit de spin industriels dans le silicium La physique quantique, désormais centenaire, est devenue un pilier technologique moderne. Le transistor, bloc fondamental de l’informatique, illustre cette évolution, atteignant une densité de plusieurs milliards sur quelques centimètres carré grâce aux nanotechnologies. À l’échelle nanométrique, les effets quantiques limitent la miniaturisation, poussant au développement de solutions comme la plateforme CMOS FDSOI. Parallèlement, le contrôle de la matière à l’échelle quantique a permis l’émergence de l’informatique quantique, promettant de résoudre des problèmes classiquement insolubles. Les qubits de spin en silicium se distinguent par leur faible sensibilité aux perturbations magnétiques et leur compatibilité avec les procédés microélectroniques industriels.Alors que la loi de Moore atteint ses limites, l’informatique quantique offre une alternative en améliorant la puissance de calcul par une nouvelle logique. Cependant, des millions de qubits sont nécessaires pour des applications concrètes. Actuellement, les processeurs quantiques (environ 1000 qubits) restent limités par des erreurs et nécessitent une expertise pointue. Les qubits de spin dans les boîtes quantiques semi-conductrices représentent une solution prometteuse.Cette thèse utilise un réseau 2x2 de boîtes quantiques fabriqué en fonderie pour améliorer la scalabilité des qubits de spin. Dans un premier temps, nous démontrons l’occupation à spin unique via deux méthodes : chargement contrôlé d’électrons et réflectométrie à base de grilles pour une lecture dispersive sans capteurs externes. Cette approche simplifie le réglage électrostatique et permet une identification claire des états de spin.Dans un second temps, nous nous focalisons sur une cellule de qubit compacte, démontrant une lecture en single-shot, une initialisation fiable et des opérations d’intrication. Fonctionnant jusqu’à 1 K avec un bruit de charge minimal, cette solution peut potentiellement s'intégrer avec de la cryoélectronique.
Les circuits supraconducteurs quantiques constituent une plateforme de pointe pour le traitement de l’information quantique. L’utilisation de ce type de circuits en tant que qubits est en partie motivée par la grande flexibilité avec laquelle ces dispositifs peuvent être fabriqués. Cette flexibilité fait en sorte que les circuits supraconducteurs sont attractifs comme une architecture pour le design des qubits, des amplificateurs, des détecteurs de photons et d’autres dispositifs quantiques. Le domaine des qubits supraconducteurs est en rapide évolution depuis quelques an nées, ce qui a conduit à un certain nombre d’avancées majeures, dont la récente démonstration de la suprématie computationnelle quantique. Cela a été possible en partie grâce à l’introduction de l’architecture de l’électrodynamique quantique des circuits, et du qubit transmon. Le qubit transmon est protégé contre la source de bruit la plus nuisible dans les dispositifs mésoscopiques (bruit de charge), tout en possédant un design simple permettant sa mise en l’échelle. Cependant, malgré le succès retentissant du qubit transmon, d’autres qubits supraconducteurs, tels que le fluxonium et les circuits 0 − π, ont en principe le potentiel d’être plus performants. En particulier, le qubit 0 − π utilise des modes de circuit à haute impédance qui sont réalisés en utilisant de grandes inductances (ou superinductances) afin de rendre le système insensible au bruit de flux. Les superinductances, ainsi que les dispositifs de fluxonium et de 0 − π qubit, sont le principal objet de cette thèse.
Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.
Les circuits supraconducteurs quantiques sont à la base des qubits supraconducteurs en informatique quantique et d'une grande quantité d'autres technologies quantiques. La performance de ces circuits est principalement limitée par les pertes diélectriques causées par la présence de défauts aux interfaces des matériaux. La nécessité d'une haute résistance au champ magnétique pour certaines applications implique l'utilisation de supraconducteurs désordonnés contenant plus de défauts. L'objectif de ce projet est l'amélioration des performances des circuits supraconducteurs quantiques utilisant des matériaux désordonnés. Pour ce faire, des résonateurs micro-ondes lambda/4 supraconducteurs en guide d'ondes coplanaire (CPW) sont conçus et fabriqués en nitrure de niobium (NbN). Leur performance est quantifiée par la mesure de leur facteur de qualité interne (Q_i) à température cryogénique dans un réfrigérateur à dilution. L'impact de la géométrie sur le facteur de qualité est étudié en variant la recette de gravure, la profondeur de surgravure ainsi que les dimensions du CPW. Ces résultats sont comparés à des simulations électrostatiques par éléments finis utilisant COMSOL Multiphysics. La résistance au champ magnétique est évaluée par des mesures cryogéniques sous champ magnétique parallèle. Le NbN utilisé pour la fabrication des résonateurs possède un champ critique supérieur B_(c2, perp) ~ 66 T. Les résonateurs conçus et mesurés dans le cadre de cette étude ont montré un facteur de qualité interne maximal de 6x10^5 dans le régime du photon unique. Il a été conclu qu'une gravure isotrope et une grande surgravure augmentent le facteur de qualité interne. L'élargissement des dimensions du CPW contribue également à l'augmentation du Q_i. Les mesures de résonateurs sous champ magnétique parallèle ont montré une diminution du facteur de qualité interne, qui demeure supérieur à 1x10^4 à 1 T.