Dispositifs quantiques hybrides supraconducteurs-semiconducteurs sur hétérostructures Ge/SiGe Dans cette thèse, je présente les travaux réalisés sur différents types de dispositifs,chacun d’entre eux nous permettant de comprendre des propriétés fondamentalessur la qualité du matériau de l’hétérostructure Ge/SiGe elle-même oucertaines physiques liées à l’interaction entre la géométrie du dispositif, les propriétésdu semi-conducteur et la supraconductivité. J’ai conçu, fabriqué et mesurédes dispositifs tels que des barres de Hall, des transistors à effet de champ àjonction Josephson (JOFETS), des transmons supraconducteurs accordables parla porte (gatemon) et des contacts à point quantique (QPC) à proximité d’unsuper/semi-contact.Les résultats initiaux sur les barres de Hall et les JOFETS guident la conceptionde dispositifs plus avancés tels que le qubit supraconducteur gatemon oul’utilisation des QPC pour sonder la nature de l’effet de proximité supraconducteurdans le Ge. Dans l’ensemble, ce travail présente une étude de notre systèmematériel de contacts en aluminium avec des puits quantiques en Ge dansdes hétérostructures SiGe, spécifiquement dans le contexte de dispositifs hybridessupraconducteurs et semi-conducteurs, en utilisant la stratégie actuelle de fabricationde dispositifs et de contacts. Des comparaisons avec d’autres matériauxsont effectuées dans la mesure du possible afin de replacer ces résultats dans leurcontexte.
Dispositifs quantiques hybrides supraconducteurs-semiconducteurs sur hétérostructures Ge/SiGe Dans cette thèse, je présente les travaux réalisés sur différents types de dispositifs,chacun d’entre eux nous permettant de comprendre des propriétés fondamentalessur la qualité du matériau de l’hétérostructure Ge/SiGe elle-même oucertaines physiques liées à l’interaction entre la géométrie du dispositif, les propriétésdu semi-conducteur et la supraconductivité. J’ai conçu, fabriqué et mesurédes dispositifs tels que des barres de Hall, des transistors à effet de champ àjonction Josephson (JOFETS), des transmons supraconducteurs accordables parla porte (gatemon) et des contacts à point quantique (QPC) à proximité d’unsuper/semi-contact.Les résultats initiaux sur les barres de Hall et les JOFETS guident la conceptionde dispositifs plus avancés tels que le qubit supraconducteur gatemon oul’utilisation des QPC pour sonder la nature de l’effet de proximité supraconducteurdans le Ge. Dans l’ensemble, ce travail présente une étude de notre systèmematériel de contacts en aluminium avec des puits quantiques en Ge dansdes hétérostructures SiGe, spécifiquement dans le contexte de dispositifs hybridessupraconducteurs et semi-conducteurs, en utilisant la stratégie actuelle de fabricationde dispositifs et de contacts. Des comparaisons avec d’autres matériauxsont effectuées dans la mesure du possible afin de replacer ces résultats dans leurcontexte.
Nanostructures hybrides Supraconducteur / Semiconducteur à bases de Germanium pour l'information quantique Le qubit supraconducteur basé sur des circuits supraconducteurs se compose d'un condensateur supraconducteur et d'une jonction Josephson avec la géométrie transmon est largement utilisé dans les processeurs quantiques avancés, à la recherche d'une informatique quantique évolutive. L'accord de la fréquence du qubit du transmon repose sur l'interférence, en fonction du flux magnétique, entre les supercourants de deux jonctions Josephson S-I-S dans une boucle supraconductrice. Les jonctions Josephson basées sur des matériaux S-Sm-S ouvrent une possibilité alternative au transmon accordable par la porte, appelée "gatemon", dans laquelle la fréquence du qubit peut être accordée par une moyenne électrostatique. Les réalisations récentes de gatemons sur des plates-formes de matériaux III-V montrent un développement impressionnant de l'alternative au transmon, mais laissent encore une grande question sur l'extensibilité. L'hétérostructure SiGe est l'une des plateformes potentielles pour accueillir des dispositifs hybrides en raison de sa grande mobilité des trous et de la faible barrière de Schottky à l'interface Ge-métal. En outre, la compatibilité avec l'industrie des semi-conducteurs à base de silicium est un avantage certain pour la plateforme de qubits à grande échelle.Dans cette thèse, nous développons des gatemons basés sur la jonction Josephson Al-Ge-Al dans l'hétérostructure SiGe. Tout d'abord, nous établissons une recette de fabrication robuste, basée sur une approche descendante, pour les transistors à effet de champ Josephson (JoFET). Nous effectuons des mesures exhaustives sur les JoFET afin d'étudier leurs propriétés en fonction de la tension de grille, de la température et du champ magnétique. Les dispositifs présentent une adaptabilité à la grille du courant critique et de la résistance à l'état normal . On estime que les dispositifs ont une interface S-Sm transparente, comme le montre le produit élevé. Dans le régime de tension finie, les caractéristiques correspondant aux réflexions multiples d'Andreev sont observées. Ensuite, nous fabriquons et caractérisons des résonateurs supraconducteurs en NbN sur une hétérostructure SiGe. Nous mesurons les résonateurs en mode transmission et extrayons la fréquence de résonance, le facteur de qualité interne, et le facteur de qualité de couplage du coefficient de transmission. Ensuite, nous développons le processus de fabrication pour intégrer des gatemons, dans le schéma du résonateur et effectuons la fabrication conformément à la conception. Nous démontrons la caractéristique d'anticroisement dans l'un des gatemons fabriqués. La fréquence de résonance du gatemon est cartographiée à l'aide de la technique de spectroscopie à deux tons et il s'avère qu'elle peut être réglée par la porte. Le qubit a une grande largeur de ligne spectrale, ce qui implique un faible temps de cohérence. En outre, nous mesurons la relation courant-phase (CPR) sur les jonctions dans la géométrie du SQUID. Nous pouvons démontrer que les jonctions présentent une CPR non sinusoïdale. En outre, les pas de Shapiro entiers et demi-entiers sont observés dans les courbes caractéristiques courant-tension des jonctions irradiées. Cela indique que nos jonctions ont l'élément , ce qui peut ouvrir une autre possibilité vers des qubits protégés.
Contrôle du contenu harmonique de la relation courant-phase dans des éléments Josephson à base de germanium Les dispositifs hybrides supraconducteur (S)-semi-conducteur (Sm) apportent de nouvelles fonctionnalités aux circuits supraconducteurs en introduisant des transistors à effet de champ Josephson (JoFET) : des jonctions Josephson avec un courant critique modulable par une grille. En particulier, des qubits hybrides protégé par parité et des diodes Josephson ont récemment été proposés et démontrés expérimentalement. Ces dispositifs tirent parti de la multi-harmonicité de la relation courant-phase (CPR) des jonctions S-Sm-S hautement transparentes, une propriété jusqu’ici sous-exploitée. Dans ce travail, nous rapportons une étude expérimentale de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs)intégrant des JoFETs fabriqués à partir d’une hétérostructure SiGe/Ge/SiGe, développée au CEA-Grenoble. Les CPRs des jonctions individuelles montrent plusieurs harmoniques avec des amplitudes modulables par grille. En présence d’irradiation micro-onde, l’apparition de marches de Shapiro entières et demientières confirme cette observation. Une combinaison de contrôle par flux magnétique et tension de grille permet de moduler le comportement du SQUID d’un régime de diode Josephson non réciproque avec une asymétrie de 27 % à un régime Josephson π-périodique. Dans un dispositif à double SQUID, nous parvenons à caractériser quantitativement un régime où la composante sin(2φ) représente plus de 95 % du supercourant total. Enfin, ce résultat est mis en perspective par la discussion de l’implementation d’un qubit supraconducteur cos(2φ) protégé par parité basé sur cette plateforme hybride Al-Ge/SiGe.
Circuits supraconducteurs en technologie silicium L’évolution de la fabrication et l’exploitation des ordinateurs quantiques est essentielle pour dépasser l’ère NISQ. Jusqu’à présent, les qubits transmon supraconducteurs basés sur des jonctions tunnel Josephson en aluminium ont donné les résultats les plus avancés, bien que cette technologie soit difficile à mettre en oeuvre dans des installations à grande échelle.Un autre qubit "gatemon" est apparu récemment, qui utilise des dispositifs hybrides supraconducteurs/semiconducteurs (S/Sm) comme jonctions Josephson accordées par un contrôle électrostatique. Cependant, les implémentations actuelles de ces dispositifs utilisent des nanofils, dont la fabrication à grande échelle n’a pas encore atteint sa maturité. Une conception évolutive de gatemon pourrait être réalisée avec des transistors à effet de champ Josephson CMOS comme lien faible accordable, où un dispositif idéal est constitué de réservoirs supraconducteurs qui contactent un canal court par des interfaces à haute transparence. Une transparence élevée, ou une faible résistance de contact,est obtenue dans l’industrie de la microélectronique avec des siliciures, dont certains s’avèrent être supraconducteurs. La première partie du travail expérimental de cette thèse couvre les études de matériaux sur deux de ces matériaux : V3Si et PtSi, qui sont intéressants pour leur Tc élevé, et leur intégration mature. La deuxième partie couvre des résultats expérimentaux sur des transistors PtSi de longueur de grille 50nm, où la transparence des interfaces S/Sm est modulée par la tension de grille. A basse tension,le transport ne montre aucune conductance à basse énergie, et des pics de cohérence bien définis au niveau du gap supraconducteur. La hauteur de la barrière à l’interfaceS/Sm est réduite en augmentant la tension de grille, jusqu’à ce qu’un pic de conductance apparaisse autour d’une tension de drain nulle, ce qui révèle l’apparition d’un courant d’Andreev. La modulation du courant d’Andreev par une grille dans un transistor à base de silicium, représente une étape vers des ordinateurs quantiques supraconducteurs entièrement intégrés en CMOS.
Les qubits supraconducteurs de type gatemon sont basés sur des conducteurs quantiques utilisés comme liens faibles dans des jonctions Josephson hybrides. Dans ces systèmes, le supercourant Josephson est transporté par des états liés d'Andreev dont l'accordabilité en grille permet de contrôler la fréquence du qubit. Des travaux antérieurs ont montré des mesures cohérentes dans de tels qubits gatemon avec des jonctions à base de nanofils semiconducteurs ou de graphène. Cette thèse présente la réalisation d’un qubit gatemon utilisant un nanotube de carbone ultrapropre, un conducteur intrinsèquement unidimensionnel, connecté a des électrodes supraconductrices en niobium. Le qubit est couplé à un résonateur microonde, ce qui forme un architecture cQED hybride. Le spectre du qubit mesuré en fonction de la grille présente des caractéristiques claires associées à la transition de parité de charge des états liés d'Andreev fermioniques qui sont au cœur de l'effet Josephson dans le nanotube de carbone. En outre, nous démontrons un contrôle cohérent de ce qubit gatemon avec des temps de cohérence allant jusqu'à 200ns. Notre étude montre que le temps de cohérence dépend fortement de la grille et nous identifions le bruit de charge comme un facteur limitant. Ces travaux ouvrent la voie à la manipulation cohérente de qubits fermioniques supraconducteurs dans des nanotubes de carbone.
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.
Cette thèse se concentre sur le traitement de l’information quantique à l’aide d’un dispositif supraconducteur, en particulier sur la réalisation de portes quantiques et d’algorithmes dans des systèmes quantiques ouverts. Un tel dispositif est construit par des qubits supraconducteurs de type transmon couplés à un résonateur supraconducteur. Pour la réalisation des portes quantiques et des algorithmes, une approche en une seule étape est utilisée. Nous proposons des schémas plus rapides et plus efficaces pour réaliser des portes de X-rotation et des portes d’enchevêtrement pour deux et trois qubits. Au cours de ces opérations, le nombre de photons du résonateur est annulé en raison du fort champ de micro-ondes ajouté. Elles ne nécessitent pas que le résonateur soit initialement préparé dans l’état de vide et les schémas est insensible à la désintégration du résonateur. En outre, la robustesse de ces opérations est démontrée en incluant l’effet de la décohérence des systèmes transmon et la désintégration du résonateur dans une équation maîtresse, ce qui permet d’obtenir une grande fidélité dans la simulation quantique. En outre, en utilisant les portes de X-rotation mises en oeuvre ainsi que les portes de phase, nous présentons une autre façon de mettre en oeuvre l’algorithme de Grover pour deux et trois qubits qui ne nécessite pas une série de portes simples. En outre, nous démontrons en simulant numériquement l’utilisation de la tomographie des processus quantiques pour caractériser pleinement la performance d’une porte d’enchevêtrement à un seul coup pour deux et trois qubits et nous obtenons des fidélités de processus supérieures à 93%. Ces portes sont utilisées pour créer des états intriqués de Bell et de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).