Ondes acoustiques de surface comme banc d'essai pour les qubits volants d'électrons

Surface acoustic waves as testbed for electron flying qubits

• Auteur / Autrice : Junliang Wang Wang
• Direction : Christopher Bäuerle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Courtois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrew N. Cleland, Saskia Fischer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hubert J. Krenner, Denis-Christian Glattli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Ondes acoustiques de surface

Qubits volants

Simulations

Single electrons

Simulations

Surface acoustic waves

Résumé

Outre leur utilisation massive dans l’industrie des télécommunications, les ondes acoustiques de surface (SAW) trouvent des applications de plus en plus impressionnantes en science quantique. En utilisant en particulier un nanocircuit défini par une grille de surface, une onde acoustique de surface peut transporter un électron unique entre des boîtes quantiques distantes. Cette capacité a permis de réaliser des expériences d’optique quantique électronique au niveau de la particule unique à l’aide de SAW. La maturité des éléments constitutifs essentiels tels que la source et le détecteur d’électrons uniques hautement efficaces, le partitionnement en vol à la demande et la synchronisation précise de sources multiples, fait de l’électron volant assisté par SAW un candidat prometteur pour le traitement de l’information quantique.Dans ce travail, nous étudions la faisabilité de l’implémentations de logique quantique avec des électrons volants pilotés par SAW. Nous exploitons en particulier le degré de liberté de la charge en utilisant un circuit à un seul électron avec deux canaux de transport couplés. Nous développons d’abord un outil de modélisation électrostatique afin d’optimiser la conception grille de surface du nanocircuit électronique. En comparant les simulations avec un grand ensemble de données expérimentales, nous validons le pouvoir prédictif de notre modèle électrostatique pour des nanodispositifs semiconducteurs.En utilisant le circuit optimisé à électron unique avec des rails quantiques couplés, nous étudions l’interaction électron-électron entre une paire synchronisée d’électrons volants. Nous réalisons en particulier l’interférométrie de Hong-Ou-Mandel en envoyant deux électrons dans le même minimum de la SAW ou dans des minima différents. En comparant les statistiques de comptage complet à partir de mesures à monocoup, nous observons une augmentation de la probabilité d’antibunching jusqu’à 80%. En utilisant des simulations électrostatiques numériques, nous trouvons que l’interaction de Coulomb joue le rôle dominant. En estimant la force d’interaction entre les électrons volants, nous anticipons son application pour les implémentations de portes logiques à deux qubits.Dans le but de réaliser des manipulations cohérentes en vol, nous avons développé une nouvelle technique pour contrôler l’état quantique d’un électron volant en temps réel. Plus précisément, nous appliquons des impulsions de tension à la barrière tunnel pour activer ou désactiver le couplage à la demande. Les résultats préliminaires montrent déjà des signatures de la dynamique de l’électron pendant sa propagation. La démonstration de cette technique résolue en temps réel jette les bases de la mise en œuvre de la logique quantique des électrons volants assistés par SAW.Enfin, nous présentons une nouvelle méthode d’ingénierie SAW pour générer une impulsion acoustique unique et fortement compressée. En utilisant cette impulsion SAW à la demande pour transférer un électron unique dans un canal linéaire, nous observons une efficacité de transport compétitive dépassant 99%. La technique de synthèse démontrée ouvre la voie à une plateforme de transport d’électrons uniques pilotée par SAW, précise, synchronisée et évolutive.

Besides their massive use in telecommunication industry, surface acoustic waves (SAWs) are finding more and more impressive applications in quantum science. Using in particular a surface-gate-defined nanocircuit, a SAW can transport a single electron between distant quantum dots. This capability enabled to perform SAW-driven electron-quantum-optics experiments at the single-particle level. The maturity of the essential building blocks such as highly efficient single-electron source and detector, on-demand in-flight partitioning and precise synchronization of multiple sources, makes the SAW-assisted flying electron a promising candidate for quantum information processing.In this work, we investigate the feasibility of quantum logic implementations with SAW-driven flying electrons. We exploit in particular the charge degree of freedom using a single-electron circuit with two coupled transport channels. We first develop an electrostatic modeling tool to optimize the surface-gate design of the electronic nanocircuit. Benchmarking the simulations with a large experimental dataset, we validate the predictive power of our electrostatic model for semiconductor nanodevices.Employing the optimized single-electron circuit with a coupled quantum rails, we investigate the electron-electron interaction between a synchronized pair of flying electrons. We perform in particular Hong-Ou-Mandel interferometry by sending two electrons in the same or different SAW minima. By contrasting the full-counting statistics from single-shot measurements, we observe an increased antibunching probability up to 80%. Using numerical electrostatic simulations, we find that Coulomb interaction plays the dominant role. Estimating the interaction strength between the flying electrons, we anticipate its application for two-qubit-gate implementations.Aiming at coherent in-flight manipulations, we have developed a novel technique to control the quantum state of a flying electron in real time. Specifically, we apply tailored voltage pulses to the tunnel barrier to turn on or off the coupling on demand. Preliminary results show already signatures of electron dynamics during its propagation. The demonstration of this time-resolved technique lays the groundwork for quantum logic implementations of SAW-assisted flying electrons.Finally, we present a novel SAW engineering method to generate a single, strongly compressed acoustic pulse. Using this on-demand SAW pulse to transfer a single electron in a linear channel, we observe a competitive transport efficiency exceeding 99%. The demonstrated synthesis technique paves the way for a SAW-driven platform of single-electron transport that is precise, synchronized and scalable.