Lecture haute fidélité des spins d'électrons dans les boîtes quantiques silicium mos

high fidelity readout of electron spins in silicon mos quantum dots

• Auteur / Autrice : David Niegemann
• Direction : Franck Balestro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• 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 : David Ferrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Delbecq, Dominik Zumbühl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Spin

Points quantiques

Spectroscopie de réflectance

Mots clés libres

Reflectomètrie

Boîtes quantiques

Spin

Semiconducteur

Quantum dots

Spin

Reflectometry

Semiconductor

Résumé

La découverte et la démonstration d'algorithmes quantiques plus performants que tous les algorithmes classiques ont donné naissance au nouveau domaine de recherche qu'est la technologie de l'information quantique. Depuis l'invention du transistor et la commercialisation des microprocesseurs qui a suivi, le développement des ordinateurs a été guidé par la loi de Moore. Au cours des premières décennies, l'industrie a réussi à tenir ses promesses d'une puissance de calcul plus grande avec chaque nouvelle génération, il semble que la loi de Moore touche lentement à sa fin. La technologie de l'information quantique pourrait offrir une voie vers une croissance continue de la puissance de calcul, non pas par une augmentation du nombre de transistors, mais par un changement de la logique de calcul. Ce changement de paradigme nécessite d'énormes quantités de recherche pour rattraper la technologie moderne. La plupart des estimations donnent une limite inférieure d'un million de qubits physiques pour qu'un processeur quantique soit utile pour résoudre des problèmes du monde réel avec des algorithmes quantiques. Bien que les plus grands processeurs quantiques actuels se composent d'environ 100 qubits, ces derniers sont loin d'être parfaits. Souffrant de différentes erreurs, les processeurs quantiques actuels nécessitent de grandes équipes d'experts pour faire fonctionner. La construction d'un processeur quantique comportant des millions de qubits nécessite une technologie fiable et scalable. Dans ce contexte, les qubits de spin dans les boîtes quantiques semiconductrices constituent une plateforme de qubits intéressante qui pourrait bénéficier des techniques de fabrication à grande échelle de l'industrie moderne des semiconducteurs.La communauté s'accorde largement à dire que les qubits doivent satisfaire aux cinq critères de DiVincenzo pour être considérés pour des processeurs quantiques à grande échelle. La communauté des qubits de spin semiconducteur se concentrait jusqu'à présent sur la démonstration de deux de ces critères, notamment "des temps de décohérence longs et significatifs" et "un ensemble "universel" de portes quantiques". Les résultats exceptionnels ont conduit à recentrer maintenant l'effort sur les autres critères. Nous travaillons sur deux d'entre eux. Nous utilisons un dispositif fabriqué dans un processus FDSOI de 300 mm, promettant l'évolutivité requise par le premier critère de DiVincenzo : "Un système physique évolutif avec un qubit bien caractérisé". Le dispositif consiste en un nanofil de silicium qui relie deux réservoirs. Des grilles, patternées sur le dessus du nanofil, permettent l'accumulation de boîtes quantiques dans les coins du nanofil. Dans notre dispositif, nous créons un système de 2 x 2 boîtes quantiques dans le nanofil. Nous utilisons la réflectométrie rf comme capteur de charge, en utilisant l'un des QD comme capteur. Ensuite, nous utilisons ce dispositif pour réaliser un double boîte quantique. Nous mesurons le blocage de spin de Pauli en utilisant la lecture ST et la lecture de parité, ce qui nous permet de faire la distinction entre le singlet S et les trois états triplets T0, T- et T+ ou entre les états de spin non polarisés S et T0 et les états de spin polarisés T- et T+. Nous démontrons une haute fidélité pour les deux types de lecture. La fidélité de la lecture ST est > 99% à 50 kHz en raison d'une relaxation relativement rapide, la lecture de la parité dépasse 99,9% (99%) à 50 kHz (250 kHz). Ainsi, les deux lectures répondent à la cinquième condition de DiVincenzo : "une capacité de mesure spécifique au qubit". De plus, nous effectuons ces mesures à une température de 0,5 K, ce qui montre la robustesse en température de ce type de lecture. En utilisant ce readout, nous caractérisons le système à deux spins en utilisant des expériences de Landau-Zener et de spin-funnel.

The discovery and demonstration of quantum algorithms that outperform all classical algorithms gave rise to the new research field of quantum information technology. Since the invention of the transistor and the following commercialization of microprocessors, computation hardware development was driven by Moore’s law. While in the first decades the industry managed to deliver on the promiseof more computing power with every new generation of hardware, it seems like Moore’s law slowly comes to an end. Quantum information technology might offers a path towards continued growth in computing power, not by an increase of transistor number, but by a change in computation logic. This paradigme shift that never occured before in information science, requires vast amounts of research to catch up with the mature technology of modern computer hardware. Most estimates today give a lower bound of one million physical qubits for a quantum processor to be useful for solving real world problems with quantum algorithms. While the largest quantum processors today consist of around 100 qubits, these qubits are far from being perfect. Suffering from different errors, todays quantum processors require large teams of experts to make the hardware work like intended. Building a quantum processor with millions of qubits requires a reliable and scalable technology. In this context, spin qubits in semiconductor quantum dots (QDs) are an interesting qubit platform that might be able to harness the large-scale fabrication techniques of modern semiconductor industry.The community widely agrees that qubits must fulfill the five DiVincenzo criteria to be considered for large scale quantum processors. While the Semiconductor spin qubit community focused so far on the demonstration of two of these criteria, namely ``Long relevant decoherence times'' and ``A 'universal' set of quantum gates''. The outstanding results lead to refocusing now the effort towards the other criteria. In this thesis we work on two of these. First, we used a device made in a state-of-the-art 300 mm FDSOI process, promising scalability as required by the first DiVincenzo criteria ``A scalable physical system with well-characterized qubit''. The device consists of a silicon nanowire that connects two reservoirs. Gates, patterned on top of the nanowire, allow the accumulation of quantum dots in the nanowire corners. In our device, we form a 2 x 2 QD array in the nanowire. We use rf-reflectometry as a remote sensor to measure the charge state of this array, using one of the QDs as a sensor. Next, we use this device to form a double quantum dot and tune it to the two electron regime. We perform Pauli spin blockade measurements using ST- and parity-readout which allows us to distinguish either between singlet S and the three triplet states T0, T-, and T+ or between the unpolarized spin states S, and T0 and the polarized spin states T-, and T+. We demonstrate high fidelity for both readout types. While the ST-readout fidelity is > 99% at 50 kHz due to a relatively fast relaxation, the parity-readout exceeds 99.9% (99%) at 50 kHz (250 kHz). Thus, both readouts fulfill DiVincenzo's fifth requirement ``A qubit-specific measurement capability''. Moreover, we perform these measurements at a temperature of 0.5 K, showing the temperature robustness of this kind of readout. Using this readout, we characterize the two spin system using Landau-Zener and spin-funnel experiments.