Note technique (Jalon) — Étage de lecture optique et de pilotage micro-onde bas coût pour les défauts de spin V⁻B dans l'architecture P-CBAM : amplification plasmonique et magnétron verrouillé par injection
## Résumé Cette note explore, avec la méthodologie Jalon habituelle (bornes pessimiste / intermédiaire / optimiste, documentation explicite des hypothèses et des résultats négatifs), deux briques technologiques bas coût destinées à lever un verrou identifié dans la littérature sur les défauts de spin V⁻B en hBN : l'absence à ce jour de lecture optique confirmée d'un spin individuel, faute de brillance suffisante. On évalue (i) une amplification de brillance par nano-antenne plasmonique (nanopatch antenna, NPA) et son impact sur la fidélité de lecture single-shot, et (ii) une source micro-onde de pilotage de spin à base de magnétron recyclé, verrouillé par injection sur un synthétiseur de référence. Un résultat négatif documenté (source micro-onde à résonance cyclotron électronique) est inclus à titre de comparaison méthodologique. Ces briques sont pensées pour une intégration ultérieure dans l'étage de lecture de l'architecture P-CBAM, sans toucher au canal photonique porteur de l'information quantique (mode OAM du cat-qubit). ---
Résumé Cette note explore, avec la méthodologie Jalon habituelle (bornes pessimiste / intermédiaire / optimiste, documentation explicite des hypothèses et des résultats négatifs), deux briques technologiques bas coût destinées à lever un verrou identifié dans la littérature sur les défauts de spin V⁻B en hBN : l'absence à ce jour de lecture optique confirmée d'un spin individuel, faute de brillance suffisante. On évalue (i) une amplification de brillance par nano-antenne plasmonique (nanopatch antenna, NPA) et son impact sur la fidélité de lecture single-shot, et (ii) une source micro-onde de pilotage de spin à base de magnétron recyclé, verrouillé par injection sur un synthétiseur de référence. Un résultat négatif documenté (source micro-onde à résonance cyclotron électronique) est inclus à titre de comparaison méthodologique. Ces briques sont pensées pour une intégration ultérieure dans l'étage de lecture de l'architecture P-CBAM, sans toucher au canal photonique porteur de l'information quantique (mode OAM du cat-qubit). ---
Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
La Quête de l'Ombre du Spin : Note technique négative sur le couplage Stark ζ du décodeur OAM quantique hybride hBN (P-CBAM v2.0)
Résumé / Description : Cette note technique documente, dans une démarche de science ouverte et de transparence méthodologique, l'audit critique des paramètres de couplage de l'architecture originale P-CBAM. L'objectif initial était de valider la constante de couplage Stark ζ (supposée théoriquement à 2–5 GHz/ℓ) permettant une lecture projective nanoseconde. L'investigation rigoureuse aboutit à une conclusion physique négative mais constructive : d'une part, l'analogie avec le centre NV du diamant borne la valeur réaliste de ζ entre 0,1 et 1 GHz/ℓ. D'autre part, les modélisations vectorielles de Richards-Wolf et les simulations FDTD cylindriques démontrent l'existence d'un zéro structurel exact du champ électrique longitudinal (Ez) sur l'axe optique d'un faisceau OAM, imposant un repositionnement hors-axe du défaut spin VB−. Plusieurs voies de contournement sont évaluées (inclinaison cristalline, hybridation, transfert quadrupolaire). La note chiffre et valide une voie de compromis fonctionnelle : l'accumulation de phase par répétition de symboles sur la marge du temps de cohérence T2 à température ambiante, associée à une parallélisation spatiale de N≈5 canaux pour restaurer le débit nominal. Ce document sert de justification théorique aux corrections majeures intégrées dans la v2.0 du supercalculateur P-CBAM-256.
Résumé Cette note constate et documente une divergence factuelle entre deux documents du portefeuille P-CBAM traitant du même paramètre (le débit de l'architecture photonique à défauts V⁻ʙ) : « La Quête de l'Ombre du Spin » (ci-après « la Quête »), qui établit dans son addendum §9 une architecture de référence corrigée à ≈ 3355 Tb/s après avoir invalidé une confusion T1/T2 dans un brouillon antérieur, et « P-CBAM-4K-LN2 v3.1 », document ultérieur qui annonce 2147 Pb/s en reproduisant la même confusion T1/T2 déjà invalidée, sur une échelle de cellules 256× supérieure et sans justification nouvelle. Un audit indépendant du budget de photons de lecture ODMR à la fréquence d'horloge revendiquée par v3.1 (500 MHz) confirme, par une voie de calcul distincte, que cette fréquence est physiquement intenable. Cette note invalide formellement v3.1 en l'état, réaffirme l'architecture de référence de la Quête (Jalon 9) comme meilleure estimation actuellement défendable, et fixe les conditions qu'une future révision (v2.2 ou v4) devra satisfaire pour être recevable.
Développement d'une mémoire quantique à base de spins pour les qubits supraconducteurs Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives.
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.
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 ».