Mise à l’échelle d’un procédé de fabrication sur tranche de 200 mm de jonctions Josephson en Al/AlOx/Al avec la méthode Manhattan pour les qubits supraconducteurs
Ce mémoire se concentre sur la fabrication de jonctions tunnel Josephson (JJ) en Al/AlOx/Al en utilisant la méthode de fabrication Manhattan. Les JJs sont des composantes essentielles des circuits supraconducteurs quantiques, notamment des qubits supraconducteurs et des amplificateurs paramétriques. Ces dispositifs sont au cœur des recherches actuelles en informatique quantique, ce qui souligne l'importance d'obtenir des procédés de fabrication reproductibles à grande échelle. L’objectif principal de ce projet a été de développer un procédé de fabrication fiable et reproductible pour des JJs en aluminium sur des tranches de 200 mm. Le projet a permis la mise en place d’un procédé de fabrication de base de JJ en Al/AlOx/Al utilisant la lithographie électronique au sein des installations de l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT). Des étapes critiques telles que la déposition de l’aluminium, l’oxydation contrôlée pour former la barrière tunnel et le soulèvement ont été mises en place afin d’assurer la stabilité des jonctions. En parallèle, des outils de caractérisation des dispositifs ont été développés pour évaluer les performances électriques à la fois à température ambiante et en conditions cryogéniques des dispositifs, ainsi que pour mesurer les dimensions physiques des jonctions avec précision. Un effort significatif a été réalisé pour automatiser les outils de caractérisation. Cela a permis d'accélérer la caractérisation, ce qui est nécessaire pour de si gros échantillons, et de fiabiliser les résultats obtenus. Les résultats expérimentaux ont révélé des variations significatives de reproductibilité entre les tranches et d’uniformité sur une même tranche, principalement liées aux variations des dimensions des JJs. Ces variations ont un impact direct sur les caractéristiques électriques des JJs, notamment leur résistance et leur énergie de couplage. Des efforts ont été concentrés sur l’amélioration de l’uniformité des dimensions des dispositifs en travaillant sur les paramètres de la lithographie. Pour ce faire, une série de calculs analytiques ont été mis en place pour lier les variations de dimensions des JJs avec la lithographie et le dépôt de l’aluminium. En conclusion, ce projet a établi une base solide pour la fabrication de JJs en Al/AlOx/Al sur des tranches de grandes dimensions. Cependant, des travaux futurs seront nécessaires pour affiner les procédés de fabrication et garantir une meilleure uniformité des dispositifs à l’échelle industrielle. Ces améliorations seront cruciales pour répondre aux exigences de performance des dispositifs quantiques de prochaine génération.
Ce mémoire se concentre sur la fabrication de jonctions tunnel Josephson (JJ) en Al/AlOx/Al en utilisant la méthode de fabrication Manhattan. Les JJs sont des composantes essentielles des circuits supraconducteurs quantiques, notamment des qubits supraconducteurs et des amplificateurs paramétriques. Ces dispositifs sont au cœur des recherches actuelles en informatique quantique, ce qui souligne l'importance d'obtenir des procédés de fabrication reproductibles à grande échelle. L’objectif principal de ce projet a été de développer un procédé de fabrication fiable et reproductible pour des JJs en aluminium sur des tranches de 200 mm. Le projet a permis la mise en place d’un procédé de fabrication de base de JJ en Al/AlOx/Al utilisant la lithographie électronique au sein des installations de l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT). Des étapes critiques telles que la déposition de l’aluminium, l’oxydation contrôlée pour former la barrière tunnel et le soulèvement ont été mises en place afin d’assurer la stabilité des jonctions. En parallèle, des outils de caractérisation des dispositifs ont été développés pour évaluer les performances électriques à la fois à température ambiante et en conditions cryogéniques des dispositifs, ainsi que pour mesurer les dimensions physiques des jonctions avec précision. Un effort significatif a été réalisé pour automatiser les outils de caractérisation. Cela a permis d'accélérer la caractérisation, ce qui est nécessaire pour de si gros échantillons, et de fiabiliser les résultats obtenus. Les résultats expérimentaux ont révélé des variations significatives de reproductibilité entre les tranches et d’uniformité sur une même tranche, principalement liées aux variations des dimensions des JJs. Ces variations ont un impact direct sur les caractéristiques électriques des JJs, notamment leur résistance et leur énergie de couplage. Des efforts ont été concentrés sur l’amélioration de l’uniformité des dimensions des dispositifs en travaillant sur les paramètres de la lithographie. Pour ce faire, une série de calculs analytiques ont été mis en place pour lier les variations de dimensions des JJs avec la lithographie et le dépôt de l’aluminium. En conclusion, ce projet a établi une base solide pour la fabrication de JJs en Al/AlOx/Al sur des tranches de grandes dimensions. Cependant, des travaux futurs seront nécessaires pour affiner les procédés de fabrication et garantir une meilleure uniformité des dispositifs à l’échelle industrielle. Ces améliorations seront cruciales pour répondre aux exigences de performance des dispositifs quantiques de prochaine génération.
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.
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.
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.
Impulsions ultra-courte d'électron unique pour les qubits volants La seconde révolution quantique du XXe siècle a contribué à un essor technologique en physique du solide. Les techniques d'ingénierie des matériaux couplées à celles de nanofabrication moderne ont favorisé le perfectionnement de sources d'électrons uniques sur demande. De par leur incroyable précision, elles sont désormais utilisées en métrologie et leur potentiel s'étend au récent domaine de l'optique quantique électronique, notamment à un candidat prometteur pour l’information quantique : le qubit volant électronique. Ces bits quantiques sont créés par de courtes impulsions de tension et la manipulation de leur état quantique se fait à la volée. À ce jour, l’impulsion de tension la plus courte atteint 27 ps, sur puce, dans un environnement cryogénique. Cependant, en raison de l'atténuation et de la dispersion du signal dans les lignes coaxiales, l'accès à des régimes quantiques électroniques d’échelle temporelle plus rapide demeure hors de portée.En revanche, grâce à l'avènement des lasers à impulsions ultracourtes et aux progrès en photonique et plasmonique, la technologie des photocommutateurs peut permettre la génération d'impulsions électromagnétiques de l'ordre de la picoseconde. La large bande passante de ces technologies opto-électroniques THz pourrait venir à bout de la barrière technique à laquelle sont confrontés les équipements électroniques standards. Bien que largement développées dans le cadre d'applications à température ambiante, les démonstrations d'intégration de ces technologies à une architecture quantique en environnement cryogénique restent toujours peu nombreuses. La réalisation d'une telle expérience débloquerait de nouvelles voies de recherche pour l'étude des dynamiques des dispositifs quantiques électroniques en physique du solide.Dans ce manuscrit, nous présentons la mise au point d'une installation expérimentale pouvant générer des impulsions de tension picoseconde en environnement cryogénique pour des applications de qubits volants. Un laser femtoseconde génère des impulsions qui sont injectées dans des fibres optiques intégrées à basse température. Fabriqué à la surface de GaAs basse température (LT-GaAs), un photocommutateur est cointégré au circuit quantique formé à partir d'un gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à haute mobilité. Du fait de la réponse opto-électronique extrêmement rapide du LT-GaAs, le photocommutateur convertit les impulsions optiques en impulsions de tension d'une durée de quelques picosecondes seulement. Grâce à des guides d'ondes coplanaires (CPW) THz, l'impulsion est acheminée vers le 2DEG, où elle est utilisée comme source d'électrons uniques ultracourts.Pour effectuer la mesure pompe-sonde et résoudre le profil dynamique de telles impulsions, une installation expérimentale originale, impliquant des positionneurs piézo-électriques et des protocoles d'alignement à basses températures, a été mise en place. Comme preuve de concept, nous rapportons d'abord la caractérisation à 300 K d'impulsions électroniques d'une durée de 1.9 ps. Dans un deuxième temps, nous refroidissons le système à 4K, élargissant la preuve de concept aux environnements cryogéniques par la mesure d'impulsions de 2.3 ps. Ensuite, en intégrant une structure 2DEG au circuit THz, des excitations de plasmons THz ont pu être observées dans une cavité Fabry-Pérot. La fréquence de leur mode fondamental a été comparée à un modèle analytique, révélant des informations sur la densité de porteur du gaz électronique sous illumination. Parallèlement, des développements importants ont été menés sur la conception des CPWs dans le but de minimiser les réflexions indésirables du signal ainsi que les pertes par dispersion. Ces travaux ouvriront la voie à l'intégration d'impulsions de tension picoseconde dans les dispositifs quantiques nanoélectroniques et le contrôle de qubits volants électroniques par des grilles électrostatiques THz ultrarapides.
La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé p du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.
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.