Interface spin-photon et portes quantiques pour des spins dans des nanotubes de carbone

Spin-photons interface and quantum gates for spins in carbon nanotubes

• Auteur / Autrice : Benoît Neukelmance
• Direction : Takis Kontos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Dimitri Roditchev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natalia Ares
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Georgios Katsaros, Romain Maurand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bits quantiques

Électrodynamique quantique en cavité

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone

Électrodynamique quantique en cavité

Qubit de spin

Carbon nanotubes

Cavity quantum electrodynanmics

Spin qubit

Résumé

Dans cette thèse, on s'intéresse à l'implémentation d'un qubit de spin dit ferromagnétique. Un nanotube de carbone est utilisé comme conducteur cohérent pour piéger un spin électronique dans lequel est encodé l'information quantique assurant des longs temps de cohérence. Ce circuit à base de boîtes quantiques est intégré à une architecture d'électrodynamique quantique sur puce procurant de grands atouts pour la lecture, la manipulation et un couplage à distance. Le couplage spin-photon existe grâce une hybridation spin-charge : l'électron étant piégé dans un double puits de potentiel avec différents axes de quantification du spin pour chacune des boîtes quantiques. Cet ingrédient clef est ici implémenté avec des électrodes de contacts ferromagnétiques non colinéaires et leur champ magnétique respectif. Augmenter le couplage spin-photon est toutefois nécessaire pour dépasser la preuve de concept. Pour cela il est possible d'accroitre l'impédance du résonateur avec des supraconducteurs désordonnés, ce qui a été exploré dans ce travail avec de l'aluminium granulaire. Des travaux d'investigation sont également été menés pour une intégration multi-qubits avec une cavité usinée dite ”2.5D”. Les résultats principaux de cette thèse ont été obtenus dans une architecture standard où des états quantique cohérents jusqu'à la microseconde ont été observés. La manipulation avec des photons de la cavité a conduit à des chevrons de Rabi non conventionnels cachant une dynamique multi-niveaux. La caractérisation standard des qubits a toutefois pu être réalisée et a montré des temps de cohérence dépassant ceux des circuit de boîtes quantiques en cavité et ceux des dispositifs à base de nanotubes de carbone d'un et de deux ordres de grandeur.

In this thesis, we study the implementation of a ferromagnetic spin qubit. A carbon nanotubeis used as a coherent conductor to trap an isolated electron spin in which quantum information is encoded providing long coherence time. This quantum dot circuit is embedded in acircuit quantum electrodynamics (cQED) architecture offering great assets for qubit readout, manipulation and long-range coupling. The spin-photon coupling is enabled through a spin-charge hybridization: the electron being trapped in a double potential well with different spinquantization axis in each of the two dots. This key ingredient is here implemented by noncollinear ferromagnectic contact electrodes and their respective magnetic field. Enhancingthe spin-photon coupling is however inevitable to outreach the proof of concept. Increasing the resonator impedance with disordered superconductors is one possible solution which has been explored in this work using granular aluminum. Preliminary investigations have also been carried out for a suitable multi-qubit integration deploying a bulk ”2.5D” cavity. The main results of this thesis have been obtained with a standard architecture where microsec-ond lived quantum states have been observed. The manipulation with cavity photons has yielded non conventional Rabi chevrons hiding a multi-level dynamics. Standard qubit char-acterization could have nevertheless been done, showing coherence time exceeding those of quantum dot circuits in cQED architectures and the ones of carbon nanotube based devices by one and two orders of magnitude.