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.
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.
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
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.
Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique.
L'émergence de technologies quantiques est favorisée par les progrès dans la manipulation et le contrôle de qubits uniques. Ces technologies se construisent autour des principes fondamentaux de la physique quantique, que sont la superposition d'états, l'intrication et la mesure projective. Un réseau quantique reliant des qubits stationnaires via des canaux photoniques pourrait permettre de surpasser les protocoles de communication et de calcul classiques. Une interface entre des qubits matériels stationnaires et des qubits photoniques messagers serait alors indispensable pour faire circuler l'information quantique dans le réseau.Nous présentons ici le développement d'une interface à l'état solide, où un qubit de spin stationnaire, un électron ou un trou unique piégé dans une boîte quantique semi-conductrice, interagit avec un qubit photonique dans une cavité micropilier. L'interaction spin-photon se produit via la rotation Faraday induite sur la polarisation des photons réfléchis, et dépendante de l'état du spin. Une fois amplifié par la cavité, cet effet peut permettre de transférer la totalité de l'information depuis l'état du spin vers l'état de polarisation des photons, réalisant une interface spin-photon.Nous commençons par décrire la fabrication des dispositifs. Les propriétés de leur hétérostructure planaire déterminent, d'une part, la structure de bande, et donc la possibilité d'injecter électriquement ou optiquement une charge unique dans la boîte quantique. D'autre part, elles déterminent les spécificités optiques de la cavité, optimisée pour amplifier l'interaction spin-photon tout en extrayant une majeure partie des photons par le canal d'intérêt. Afin d'amplifier l'interaction lumière-matière, la technique de lithographie in-situ développée au C2N permet un couplage spatial et spectral de la cavité à la transition désirée de la boîte quantique.Les dispositifs ainsi réalisés sont dans un premier temps caractérisés par tomographie de polarisation, afin de reconstruire dans l'état stationnaire l'état de polarisation complet des photons réfléchis. Les rotations Faraday géantes déduites en font des candidats de choix pour une interface spin-photon. Nous estimons également l'intensité du bruit ainsi que les points de fonctionnement optimaux en termes d'énergie des photons incidents et de polarisations réfléchies associées aux états propres de spin.Ensuite, nous accédons à la dynamique des photons réfléchis grâce aux corrélations croisées mesurées dans des polarisations complémentaires, ce qui permet de remonter à la dynamique du spin avec lequel ils ont interagi. Les contributions des dynamiques de charge et de spin peuvent être isolées en fonction des polarisations mesurées, et les sources de bruits rapides et lents sont identifiées. L'ensemble de ces résultats expérimentaux est comparé aux prédictions théoriques via une simulation basée sur l'équation maîtresse, permettant de comprendre et caractériser les processus en jeu. Celle-ci reproduit une majorité des observations, et fournit une estimation de l'efficacité de l'interface spin-photon en quantifiant la projection de spin induite par la détection des photons.Les deux dispositifs étudiés révèlent les différences entre interfaces spin-photons basées sur un électron ou un trou et l'impact de l'hétérostructure qui les entoure. En effet, la faible sensibilité des trous aux fluctuations de spins nucléaires leur confère un temps de vie plus long que celui des électrons. Cependant, le choix d'une injection électrique des électrons dans la boîte quantique induit une meilleure stabilité que l'injection optique (choisie pour les trous) en les protégeant des bruits électriques lents. En parallèle, un régime radiatif transitoire rapide qui suit la projection de spin est susceptible de brouiller les dynamiques les plus rapides. Ceci oriente vers des dispositifs basés sur le spin d'un trou avec une injection électrique pour concrétiser des interfaces spin-photon idéales.
L’informatique quantique est un domaine d’intérêt croissant, notamment à Grenoble avec une concentration exceptionnelle de chercheurs et groupes industriels impliqués dans ce domaine. L’objectif global est de développer un nouveau type de nano-processeur, basé sur des propriétés quantiques. Son bloc élémentaire est un système quantique à deux niveaux (le qubit), dans notre cas le spin d'électrons piégés dans une boîte quantique.Dans la quête d’une architecture à large échelle, un ordinateur quantique en réseau offre un chemin naturel vers l’évolutivité. En effet, séparer le calcul dans des cœurs quantiques interconnectés par des médiateurs quantiques cohérents simplifierai grandement les contraintes d’adressabilité. Ces liens quantiques devraient offrir une connexion rapide et cohérente entre des cœurs arbitraires, permettant de créer un état intriqué utilisant tout le circuit quantique. Dans les circuits quantiques à base de semiconducteurs, l’intrication entre plus proches voisins a déjà été démontrée, et plusieurs méthodes ont été proposées pour réaliser un couplage à distance. Parmi elles, une implémentation possible de ce médiateur quantique consiste à préparer un état intriqué et transférer individuellement des spins électroniques à travers la structure, à condition que ce transfert préserve l’intrication.Dans cette thèse, nous démontrons le transfert rapide et cohérent de qubits de spin électronique à travers un long canal de 6.5 μm, dans une hétérostructure GaAs/AlGaAs. En utilisant le potentiel se propageant avec par une onde acoustique de surface, nous transférons séquentiellement deux spins électroniques formant initialement un état singulet. Durant le déplacement, chaque spin subit une rotation cohérente due à l’interaction spin-orbite, sur une durée plus courte que tout processus de décohérence. En variant le temps de séparation des électrons et le champ magnétique appliqué, nous observons des interférences quantiques qui prouvent la nature cohérente de l’état initial et de la procédure de transfert.Nous montrons que cette expérience est analogue à une mesure de Bell, et nous permet de quantifier l’intrication entre les deux spins électroniques lorsqu’ils sont séparés, démontrant que ce déplacement rapide et à longue portée est une procédure efficace pour propager une intrication quantique au sein des futures structures à large échelle.