Qbits de rotation de trous à base de germanium

Germanium based hole spin qbits

• Auteur / Autrice : Oliver Gallego
• Direction : Silvano De franceschi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Qbits

Germanium

Rotation

Qbits

Germanium

Hole

Résumé

Récemment, l'émergence d'hétérostructures Ge/SiGe à haute mobilité ouvre une nouvelle voie prometteuse pour les technologies de l'information quantique [1]. Les applications vont des qubits de spin aux qubits basés sur la supraconductivité.Les qubits de spin sont encodés dans boites quantiques formées à partir d'un gaz bidimensionnel de trous qui se trouve à l'intérieur d'un puits quantique de Ge entre deux barrières de SiGe. Le confinement latéral se fait à l'aide de grilles métalliques fabriquées sur la surface de l'hétérostructure par lithographie à faisceau d'électrons. La faible masse effective des trous (largement plus petite que dans du Silicium) et leur haute mobilité permettent d'obtenir un confinement latéral efficace avec moins de susceptibilité au désordre de charge. En présence d'un champ magnétique, le spin d'un trou unique forme un système à deux niveaux sur lequel on peut coder un bit d'information quantique. Un tel qubit peut être manipulé électriquement à travers d'une modulation rf appliquée à l'une des grilles de confinement. Des premières démonstrations allant jusqu'à 4 qubits de spin intriqués [2] ont été récemment publiées par l'équipe du Prof. Veldhorst à QuTech. Cette thèse expérimentale sera consacrée au développement de qubits de spin sur ce matériau prometteur. Elle sera réalisée au laboratoire PHELIQS/LaTEQS de l'institut Irig du CEA ( https://www.lateqs.fr ). Le doctorant rejoindra une équipe expérimentale travaillant actuellement sur la réalisation de dispositifs qubit basés sur des hétérostructures Ge/SiGe. Ces hétérostructures sont réalisées au Leti. L'équipe LaTEQS a déjà effectué des premiers travaux exploratoires dans ce système, comme la démonstration du transport balistique dans un canal unidimensionnel [3]. Plus récemment l'équipe a aussi mis au point un premier procédé de fabrication pour obtenir des boites quantiques confinant des trous (Fig. 1). Ce procédé de fabrication, inspiré aux travaux de QuTech, devrait nous permettre dans de réaliser des premières épreuves de concept, i.e. des portes à un et deux qubits utilisant le spin de trous uniques confinées électrostatiquement. L'étudiant participera activement à la mise en oeuvre de ces expériences, ce qui lui permettra d'acquérir les connaissances nécessaires pour la manipulation de qubits. En parallèle, l'étudiant suivra une formation en nanofabrication auprès de la Plateforme Technologique Amont afin de s'approprié des techniques de fabrication des nanodispositifs semiconducteurs. Pendant la deuxième année il travaillera au développement d'un nouveau procédé de fabrication mieux adapté à la montée en échelle. L'objectif final de la thèse est de réaliser des petites matrices de qubits (2x2, 2xN, 3x3,…) à partir d'une hétérostructure de SiGe/Ge et d'implémenter des opérations à un et deux qubits dans ces matrices.

Recently, the emergence of high mobility Ge/SiGe heterostructures opens a new promising avenue for quantum information technologies [1]. Applications range from spin qubits to based qubits on superconductivity. Spin qubits are encoded in quantum dots formed from a two-dimensional gas of holes that is inside a Ge quantum well between two SiGe barriers. Lateral containment is done using metal grids fabricated on the surface of the heterostructure by beam lithography of electrons. The low effective mass of the holes (much smaller than in silicon) and their high mobility allow for effective lateral containment with less susceptibility to disorder of charge. In the presence of a magnetic field, the spin of a single hole forms a two-level system on which one bit of quantum information can be encoded. Such a qubit can be manipulated electrically through a RF modulation applied to one of the containment grids. First demonstrations of up to 4 entangled spin qubits [2] were recently published by the team of Prof. Veldhorst at QuTech.This experimental thesis will be devoted to the development of spin qubits on this promising material. It will be carried out in the PHELIQS/LaTEQS laboratory of the Irig institute of the CEA ( https://www.lateqs.fr ). the PhD student will join an experimental team currently working on the realization of qubit devices based on Ge/SiGe heterostructures. These heterostructures are produced at Leti. The LaTEQS team has already carried out the first exploratory work in this system, such as the demonstration of the transport ballistics in a one-dimensional channel [3]. More recently, the team has also developed a first manufacturing process to obtain quantum dots confining holes (Fig. 1). This process of manufacturing, inspired by the work of QuTech, should allow us to carry out the first tests concept, i.e. one- and two-qubit gates using the spin of confined single holes electrostatically. The student will actively participate in the implementation of these experiences, which will provide the necessary knowledge for the manipulation of qubits. At the same time, the student will follow training in nanofabrication with the Upstream Technological Platform in order to appropriate fabrication techniques for semiconductor nanodevices. During the second year he will work the development of a new manufacturing process better suited to scaling up. The end goal of the thesis is to realize small matrices of qubits (2x2, 2xN, 3x3, ) from a heterostructure of SiGe/Ge and to implement one- and two-qubit operations in these matrices.