Thèse soutenue le 27 juin 2024 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique
Résumé :
Les bits quantiques de spin (qubits) établis dans des boîtes quantiques au sein de semiconducteurs du groupe IV constituent une plateforme prometteuse en vue de futurs processeurs quantiques à grande échelle, du fait de leur faible encombrement et de leur processus de fabrication compatibles avec l'industrie des semiconducteurs traditionnelle. En particulier, les particules de trous ont gagné en attention ces dernières années en vue de leur potentiel en tant que qubit de spin car elles permettent une manipulation rapide de l'orientation du spin, entièrement induites par des champs électriques grâce à leur couplage spin-orbite intrinsèquement important. Ce dernier est toutefois à double tranchant car il expose aussi le spin de trou à des fluctuations électriques indésirables provenant du milieu environnant, ce qui en somme, dégrade le temps de cohérence du qubit. Au cours des dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour réduire l'influence du bruit électrique provenant de l'environnement sur les qubits de spins, révélant ainsi l'existence de points préférentiels, appelés « sweetspots », où le temps de cohérence est grandement étendu dépendamment de l'orientation du champ magnétique.
Dans ce manuscrit, l'accent est mis sur la caractérisation des contributions de bruit électrique ayant un impact sur un qubit de spin à trou unique en fonction de l'orientation du champ magnétique dans un échantillon de silicium naturel dopé P ayant une structure MOS. La particule de trou est confinée spatialement dans une boîte quantique définie électrostatiquement à l'intérieur du dispositif. L'orientation de son spin est lue par réflectométrie radio-fréquence basée sur une méthode de discrimination en énergie des états de spin. Nous démontrons expérimentalement que les « sweetspots » précédemment mentionnés appartiennent en fait à des lignes continues, dites « sweetlines » autour de la sphère angulaire du champ magnétique, en accord avec les prédictions théoriques. Nous montrons également qu'en plus d'un temps de cohérence étendu, le fonctionnement des sweetlines est compatible avec une manipulation efficace avec des fréquences de Rabi, ƒR, dépassant confortablement 10 MHz, et un facteur de qualité defini comme
Q = 2ƒRI2R s'élevant jusqu'à environ 690, rivalisant avec les estimations rapportées pour les électrons. En outre, cette étude met en évidence un contrôle accru de la position angulaire des sweetlines en fonction de la tension de grille. Ceci constitue un aspect particulièrement important dans le contexte d'une future implémentation à plus grande échelle. Enfin, l'étude expérimentale de ces points de fonctionnement optimaux est reproduite pour un système à deux qubits soulignant l'importance des sweetlines pour les systèmes de qubits de spin.
Jury :
Rapporteur : Giorgos Katsaros
Rapporteur : Alex anderHamilton
Examinatrice : Hélène Béa
Examinateur : David Ferrand
Examinateur : Maximilian Rimbach-Russ
Examinateur : Arne Laucht
Directeur de thèse : Xavier Jehl
Co-directeur de thèse : Étienne Dumur
Mots clés :
Spin de trou, ordinateur quantique, couplage spin-orbite, boîte quantique, qubit, sweetspots, temps de cohérence, réflectométrie radio-fréquence, sweetlines