Ce mémoire présente le programme conçu et mis en oeuvre pour l'initialisation d'une boîte quantique au régime à un électron. Ce dernier a été conçu pour des dispositifs fonctionnant en accumulation de type métal-oxyde-semiconducteur dans le silicium et dont la mesure du niveau d'occupation de la boîte quantique est effectuée à l'aide d'un transistor mono-électronique. Divers outils d'analyse et de reconnaissance d'image ont été adaptés et mis au point dans les modules de traitement de signal et de reconnaissance d'image qui, ensemble, permettent au programme d'extraire toute l'information qui lui est pertinente d'une mesure expérimentale. La séquence des mesures effectuées par le module de prise de décision du programme permet d'obtenir un gain allant jusqu'à un ordre de grandeur sur le temps requis pour initialiser le dispositif par rapport au temps que requière la mesure d'un diagramme de stabilité. Le développement de ces outils constitue une expertise nouvelle dans le groupe de recherche du professeur Pioro-Ladrière mais également une contribution nouvelle dans le domaine des qubits de spin dans les boîtes quantiques. Ce travail est une étape importante vers la conception et la réalisation d'un programme pouvant initialiser un dispositif comprenant plusieurs boîtes quantiques. Il permettra aux expérimentateurs de sauver plusieurs centaines d'heures servant au filtrage des échantillons défectueux et à l'initialisation des dispositifs fonctionnels en un seul clic.
Ce mémoire présente le programme conçu et mis en oeuvre pour l'initialisation d'une boîte quantique au régime à un électron. Ce dernier a été conçu pour des dispositifs fonctionnant en accumulation de type métal-oxyde-semiconducteur dans le silicium et dont la mesure du niveau d'occupation de la boîte quantique est effectuée à l'aide d'un transistor mono-électronique. Divers outils d'analyse et de reconnaissance d'image ont été adaptés et mis au point dans les modules de traitement de signal et de reconnaissance d'image qui, ensemble, permettent au programme d'extraire toute l'information qui lui est pertinente d'une mesure expérimentale. La séquence des mesures effectuées par le module de prise de décision du programme permet d'obtenir un gain allant jusqu'à un ordre de grandeur sur le temps requis pour initialiser le dispositif par rapport au temps que requière la mesure d'un diagramme de stabilité. Le développement de ces outils constitue une expertise nouvelle dans le groupe de recherche du professeur Pioro-Ladrière mais également une contribution nouvelle dans le domaine des qubits de spin dans les boîtes quantiques. Ce travail est une étape importante vers la conception et la réalisation d'un programme pouvant initialiser un dispositif comprenant plusieurs boîtes quantiques. Il permettra aux expérimentateurs de sauver plusieurs centaines d'heures servant au filtrage des échantillons défectueux et à l'initialisation des dispositifs fonctionnels en un seul clic.
Le domaine de l'informatique quantique a connu un essor important au cours des dernières années. Parmi les différentes architectures, les qubits de spin sont prometteurs grâce à leur long temps de cohérence et leur compatibilité avec les méthodes de fabrication industrielle. Par contre, plusieurs défis restent à relever afin de mettre à l'échelle cette technologie. Par exemple, la variabilité dans la fabrication complique l'initialisation des qubits, qui est déjà longue et complexe, et la taille nanométrique des qubits engendre de la diaphonie entre eux. Ces défis ne font que s'empirer lorsque le nombre de qubits dans le processeur augmente. Parmi les étapes d'initialisation qui doivent être accélérées, l'initialisation des boites quantiques dans le régime à un électron est une étape importante. Cette thèse porte donc sur différentes méthodes servant à faciliter spécifiquement cette étape d'initialisation. Un des principaux goulots d'étranglement est l'acquisition de diagrammes de stabilité : la mesure servant à identifier le nombre d'électrons contenu dans chaque boite quantique. Une plateforme de caractérisation rapide a donc été développée afin d'utiliser la faible latence des FPGA pour mesurer plus rapidement les diagrammes de stabilité. La plateforme utilise le « Quantum Engineering Toolkit » de Keysight où la séquence de mesure des diagrammes de stabilité a été programmée dans les FPGA des appareils de contrôle. À cette plateforme, un module de grilles virtuelles a été ajouté afin de pouvoir retirer le couplage capacitif entre les grilles électrostatiques des boites quantiques et ainsi faciliter leur initialisation et leur contrôle. Il est donc possible de faire des mesures rapides de diagrammes de stabilité avec grilles virtuelles simultanément. De plus, un module d'émulateur de boite quantique a également été développé afin de tester certaines routines de mesure et d'initialisation automatique sans avoir besoin d'un dispositif fonctionnel installé dans un cryostat. Finalement, la plateforme de caractérisation rapide a été utilisée pour accélérer un algorithme d'initialisation automatique. L'impact des mesures rapides sur la performance de l'algorithme a été évalué et a permis d'identifier les goulots d'étranglement. Le développement de tous ces outils représente une avancée importante pour la mise à l'échelle des processeurs quantiques basés sur les qubits de spin.
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.
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.
Expériences d'optique quantique électronique à l'échelle d'une seule particule Au cours des 25 dernières années, il n'y a eu que quelques rapports sur des expériences de type optique quantique avec des électrons.Les progrès réalisés dans ce récent domaine de recherche ont permis de mettre au point des techniques originales pour piéger, déplacer et manipuler les électrons dans des dispositifs à l'état solide.Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude de phénomènes quantiques fascinants tels que l'effect tunnel ou l'intrication avec les électrons.En raison de la contrôlabilité exigée dans les implémentations possibles de circuits logiques quantiques, il est maintenant particulièrement intéressant de réaliser des expériences d'optique quantique électronique avec des électrons volants uniques.Dans cette thèse, nous abordons deux expériences liées, mais conceptuellement différentes, d'optique quantique électronique au niveau de la particule unique.Toutes les expériences menées dans le cadre de cette thèse ont été réalisées à des températures cryogéniques avec des dispositifs définis par Schottky-gates dans des hétérostructures AlGaAs/GaAs.Tout d'abord, nous effectuons une expérience d'interférence d'électrons de type Mach-Zehnder dans le régime de transport balistique.En formant un grand point quantique dans l'une des branches de l'interféromètre, nous étudions le déphasage de la fonction d'onde d'un électron transmis de façon résonnante.Au cours de nos mesures, nous trouvons des signatures d'un comportement de transmission qui reflète les symétries internes des états propres des boîtes quantiques.Nos résultats mettent en lumière la question de longue date d'un comportement de phase de transmission universelle dans des boîtes quantiques en grand taille.Nous avons ainsi posé un jalon important vers une compréhension globale de la transmission par résonance d'électrons volants simples par des boîtes quantiques.Dans une deuxième expérience, nous allons au-delà du régime de transport balistique.Nous utilisons des ondes acoustiques de surface pour transporter un seul électron entre les boîtes quantiques définies par la grille de surface dans un circuit couplé par l'effect tunnel.Nous développons deux blocs de base essentiels pour partitionner et coupler les électrons volants simples dans un tel circuit piloté par le son.En dépassant une efficacité de transfert simple de 99 %, nous montrons qu'un circuit électronique quantique piloté par le son est réalisable à grande échelle.Nos résultats ouvrent la voie à des opérations de logique quantique avec des qubits d'électrons volants qui surfent sur une onde acoustique.
La recherche en informatique quantique a pris de l’ampleur dans les deux dernières décennies, notamment grâce aux financements massifs des gouvernements et de l’industrie dans les technologies quantiques. L’ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qui jusqu’à présent restaient insurmontables à cause du temps déraisonnable qu’il faudrait pour les résoudre sur les ordinateurs classiques les plus puissants. L’idée de l’ordinateur quantique consiste à utiliser des propriétés quantiques de la matière, telles que l’intrication et la superposition quantique des états, pour effectuer des calculs d’une nouvelle manière. L’informatique quantique requiert un nouveau type d’ordinateur où les bits d’information classique, généralement représentés par la présence ou non de courant à l’entrée d’un transistor, sont remplacés par des bits quantiques aussi appelés qubits, et qui sont représentés par l’état d’un système quantique. De plus, il est nécessaire de développer de nouveaux algorithmes capables d’être implémentés sur un ordinateur quantique et capables de tirer parti de l’avantage quantique. Cette thèse porte sur ces deux composantes complémentaires : la construction de portes logiques, un bloc fondamental de tout ordinateur, et la création de meilleurs algorithmes pour résoudre des problèmes pertinents sur ces machines. Parmi les plateformes les plus avancées pour l’ordinateur quantique, on trouve les circuits supraconducteurs, qui sont la plateforme sur laquelle ont misé Google, IBM, Alice&Bob, Nord Quantique et bien d’autres compagnies. Malgré les avancées des dernières décennies, de nombreux défis restent à être relevés pour que les machines existantes soient en mesure de résoudre des problèmes pertinents et surpassent les ordinateurs classiques. L’un des défis auquel cette thèse s’attaque est la réalisation de portes logiques à deux qubits rapides et à haute fidélité. La rapidité est cruciale pour pouvoir réaliser le plus d’opérations possible avant que les qubits ne perdent leur cohérence quantique, et une haute fidélité est requise pour minimiser les erreurs de calcul et permettre d’implémenter de la correction d’erreurs quantiques. De plus, certains qubits supraconducteurs sont connus pour être affectés par une interaction indésirable, l’interaction ZZ qui, même si relativement faible, affecte la fidélité des portes logiques quantiques, empêchant d’atteindre des fidélités supérieures à 99.9% nécessaires à la correction d’erreurs. En parallèle avec l’amélioration des composantes de l’ordinateur quantique, il est important de développer des applications pour ce nouveau type de machine. Parmi les approches étudiées, les algorithmes quantiques variationnels (VQA) sont ceux qui sont les plus susceptibles d’être déployés sur les ordinateurs quantiques de petites tailles existants. Ce sont des algorithmes hybrides qui nécessitent à la fois de la puissance de calcul classique et quantique. Ces algorithmes semblent prometteurs pour résoudre de nombreux problèmes concrets d’intérêt industriel, comme obtenir les propriétés de molécules ou trouver les solutions de problèmes d’optimisation combinatoire. En effet, ces problèmes peuvent être formulés sous forme d’un Hamiltonien et résolus en déterminant son état fondamental. Dans ce but, les VQAs utilisent un circuit quantique paramétré appelé ansatz, dont les paramètres sont optimisés pour s’approcher de l’état fondamental. Un premier défi consiste à trouver un ansatz qui permette, pour un problème donné, de converger le plus efficacement possible vers la solution. Un deuxième défi est de trouver un circuit fait de portes logiques facilement implémentables sur les plateformes physiques actuelles. Les travaux effectués dans cette thèse apportent des contributions à ces deux défis. Dans la première partie de la thèse, nous introduisons le dispositif que nous avons conçu et qui permet de réaliser des portes d’intrication paramétrique entre deux qubits supraconducteurs. Cette approche a permis à nos collaborateurs du groupe d’Andrew Houck de l’Université de Princeton de réaliser expérimentalement une opération de type √iSWAP en 15 ns avec une fidélité de 98.8%, et ce dans un dispositif où l’interaction ZZ est supprimée. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons développé un ansatz pour les VQAs permettant de résoudre le modèle de Fermi Hubbard. Ce nouvel ansatz utilise les avantages de deux ansätze préexistants, et permet d’obtenir l’énergie et l’état fondamental du FHM avec une précision de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux ansätze standards, et ce en réduisant significativement le nombre de portes d’intrication CNOT qui sont généralement imparfaites et longues à implémenter.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».