Impulsions ultra-courte d'électron unique pour les qubits volants

Flying qubit using ultra-short single-electron charge pulses

• Auteur / Autrice : Clément Geffroy
• Direction : Christopher Bauerle, Jean-François Roux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Jury : Président / Présidente : Patricia Segonds
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sukhdeep Dhillon, Preden Roulleau, Andreas Wieck, Frederic Teppe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sukhdeep Dhillon, Preden Roulleau

Mots clés

Mots clés libres

Terahertz electronics

Physique de l'électron unique

Laser femtoseconde

Instrumentation cryogénique

Terahertz electronics

Single-electron physics

Femtosecond laser

Cryogenic instrumentation

Résumé

La seconde révolution quantique du XXe siècle a contribué à un essor technologique en physique du solide. Les techniques d'ingénierie des matériaux couplées à celles de nanofabrication moderne ont favorisé le perfectionnement de sources d'électrons uniques sur demande. De par leur incroyable précision, elles sont désormais utilisées en métrologie et leur potentiel s'étend au récent domaine de l'optique quantique électronique, notamment à un candidat prometteur pour l’information quantique : le qubit volant électronique. Ces bits quantiques sont créés par de courtes impulsions de tension et la manipulation de leur état quantique se fait à la volée. À ce jour, l’impulsion de tension la plus courte atteint 27 ps, sur puce, dans un environnement cryogénique. Cependant, en raison de l'atténuation et de la dispersion du signal dans les lignes coaxiales, l'accès à des régimes quantiques électroniques d’échelle temporelle plus rapide demeure hors de portée. En revanche, grâce à l'avènement des lasers à impulsions ultracourtes et aux progrès en photonique et plasmonique, la technologie des photocommutateurs peut permettre la génération d'impulsions électromagnétiques de l'ordre de la picoseconde. La large bande passante de ces technologies opto-électroniques THz pourrait venir à bout de la barrière technique à laquelle sont confrontés les équipements électroniques standards. Bien que largement développées dans le cadre d'applications à température ambiante, les démonstrations d'intégration de ces technologies à une architecture quantique en environnement cryogénique restent toujours peu nombreuses. La réalisation d'une telle expérience débloquerait de nouvelles voies de recherche pour l'étude des dynamiques des dispositifs quantiques électroniques en physique du solide. Dans ce manuscrit, nous présentons la mise au point d'une installation expérimentale pouvant générer des impulsions de tension picoseconde en environnement cryogénique pour des applications de qubits volants. Un laser femtoseconde génère des impulsions qui sont injectées dans des fibres optiques intégrées à basse température. Fabriqué à la surface de GaAs basse température (LT-GaAs), un photocommutateur est cointégré au circuit quantique formé à partir d'un gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à haute mobilité. Du fait de la réponse opto-électronique extrêmement rapide du LT-GaAs, le photocommutateur convertit les impulsions optiques en impulsions de tension d'une durée de quelques picosecondes seulement. Grâce à des guides d'ondes coplanaires (CPW) THz, l'impulsion est acheminée vers le 2DEG, où elle est utilisée comme source d'électrons uniques ultracourts. Pour effectuer la mesure pompe-sonde et résoudre le profil dynamique de telles impulsions, une installation expérimentale originale, impliquant des positionneurs piézo-électriques et des protocoles d'alignement à basses températures, a été mise en place. Comme preuve de concept, nous rapportons d'abord la caractérisation à 300 K d'impulsions électroniques d'une durée de 1.9 ps. Dans un deuxième temps, nous refroidissons le système à 4K, élargissant la preuve de concept aux environnements cryogéniques par la mesure d'impulsions de 2.3 ps. Ensuite, en intégrant une structure 2DEG au circuit THz, des excitations de plasmons THz ont pu être observées dans une cavité Fabry-Pérot. La fréquence de leur mode fondamental a été comparée à un modèle analytique, révélant des informations sur la densité de porteur du gaz électronique sous illumination. Parallèlement, des développements importants ont été menés sur la conception des CPWs dans le but de minimiser les réflexions indésirables du signal ainsi que les pertes par dispersion. Ces travaux ouvriront la voie à l'intégration d'impulsions de tension picoseconde dans les dispositifs quantiques nanoélectroniques et le contrôle de qubits volants électroniques par des grilles électrostatiques THz ultrarapides.

The second quantum revolution of the 20th century contributed to a technological expansion in solid-state physics. Modern nanofabrication coupled to material processing techniques have facilitated the development of on-demand single-electron sources. With their remarkable precision, they are currently used for metrology purposes and hold key potential for the recent field of research of electron quantum optics, including a promising candidate for quantum information: the electron flying qubit. These quantum bits are created by short voltage pulses and manipulation of their quantum state occurs on-the-fly. The shortest voltage pulse reported so far attains 27 ps, on-chip, in a cryogenic environment. However, suffering from attenuation and dispersion in coaxial lines, accessibility to electronic quantum regimes at faster time scale remains out-of-reach. On the contrary, empowered by the advent of ultrafast lasers and progress in photonics and plasmonics, photo-conductive-switch technology can allow the generation of electromagnetic pulses with picosecond duration. The large bandwidth of these THz opto-electronic technologies could overcome the technical bottleneck faced by standard electronic equipment. While they have been widely developed for room temperature applications, demonstrations of their integration along-side a quantum architecture in a cryogenic environment are still limited. The realisation of such an experiment would unlock new research directions for studying the dynamics of solid-state electronic quantum devices. In this manuscript, we present the development of an experimental setup to generate picosecond voltage pulses in a cryogenic environment for flying qubit applications. A femtosecond laser generates pulses that are injected into optical fibres and integrated at low temperatures. Fabricated on the surface of Low Temperature grown GaAs (LT-GaAs), a photoconductive-switch is co-integrated to the quantum circuit formed on a high mobility two-Dimensional Electron Gas (2DEG). Owing to the extremely fast opto-electronic response of the LT-GaAs, the photo-conductive device converts optical pulses into voltage pulses with a duration as short as a few picoseconds. Using a THz CoPlanar Waveguide (CPW) circuit, the pulse is conveyed toward the 2DEG, where it is used as an ultra-short single-electron source. To perform pump-probe measurement and resolve the dynamic profile of such pulses, an original experimental setup, involving piezo-electric positioners and alignment protocols at low-temperatures, was implemented. As proof of concept, we first report the characterisation at 300 K of electronic pulses with 1.9 ps duration. In a second step, we cool down the system to 4 K and measure 2.3 ps wide pulses, thus expanding the proof of concept to cryogenic environments. Then, by integrating a 2DEG structure along-side the THz circuit, we were able to excite THz plasmons in a Fabry-Pérot cavity. The characteristic frequency of their fundamental mode was compared to an analytical model that revealed information about the carrier density of the electron gas under illumination. In parallel, extensive developments were carried out on the design of CPWs in order to minimise undesirable signal reflections as well as dispersion losses. Finally, with the prospect of measuring and controlling the propagation of picosecond electron pulse in quantum channels directly with ultrafast THz electrostatic gates, the fabrication of the next generation of devices was initiated. This work will pave the way for on-chip integration of picosecond voltage pulses into quantum nanoelectronics devices and ultrafast control of electronic flying qubits.