Caractérisation à grande échelle, étude de variabilité et tests de dispositifs quantiques à température cryogénique

Large scale parametric characterization, variability study and tests of quantum devices at cryogenic temperatures

• Auteur / Autrice : Sam Fiette
• Direction : Agnès Roussy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Inscription en doctorat le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)

Mots clés

Mots clés libres

Caractérisation

Electronique

Boîte quantique

Nanofil de silicium

Cmos

Spin

Characterization

Electronics

Quantum dots

Silicon nanowire

Cmos

Spin

Résumé

Dans les processeurs quantiques à semi-conducteurs à grande échelle, un bit quantique est encodé dans le spin d'un électron isolé, piégé dans un réseau de boîtes quantiques (QD) [1]. Au fil des ans, nous avons étudié des dispositifs comportant un nombre croissant de QD, dans des conceptions qui permettent le contrôle cohérent du spin individuel [2]. Pour que les dispositifs à qubits de spin atteignent une taille utile pour le calcul, il est nécessaire d'atteindre des standards pour l'intégration et le contrôle des boîtes quantiques à très grande échelle. Par conséquent, démontrer la caractérisation à grande échelle des systèmes QD est crucial pour le développement de notre processeur quantique. Récemment, le CEA-Leti a acquis un outil de mesure automatisé unique pour les wafers de 300 mm à température cryogénique, ce qui nous donne un nouveau moyen de développer des techniques de caractérisation intelligentes et efficaces. Le doctorant va développer des algorithmes de caractérisation de boîtes quantiques en mettant en œuvre des procédures de caractérisation et d’estimation de métriques pour évaluer la qualité des dispositifs à grande échelle à boites quantiques en CMOS FDSOI. Ce développement et ce travail expérimental seront fait en collaboration avec l’équipe d’intégration de dispositifs quantiques au CEA-Leti, ainsi que les équipes de caractérisation au CNRS-Néel et CEA-Irig. L’évaluation de ces métriques à l’échelle de batch de wafers va permettre d’avoir une compréhension globale des fonctionnalités des dispositifs quantiques. Ceci permettra l’exploration de dispositifs plus complexes, et d’implémenter des tests fonctionnels systématiques pour les dispositifs existants. [1] Vinet, M. et al. Towards scalable silicon quantum computing, IEDM (2018). [2] Mortemousque, P.-A. et al. Coherent control of individual electron spins in a two-dimensional quantum dot array. Nat. Nanotechnol. (2020) doi:10.1038/s41565-020-00816-w

In large-scale semiconductor quantum processors, a quantum bit is encoded in the spin of an isolated electron, trapped in an array of quantum dots (QDs) [1]. Over the years, we have studied devices with an increasing number of QDs, in designs that allow for the coherent control of individual spin [2]. To scale up spin qubit devices to computationally useful size, it is necessary to achieve very large-scale standards for quantum dot integration and control. Therefore, demonstrating the extensive and scalable characterization and calibration of QD systems is crucial for the development of our quantum processor. Recently, CEA-Leti has acquired a unique automatized measurement tool for 300-mm wafers at cryogenic temperature, which gives us a new way to develop intelligent and efficient characterization techniques. The PhD student will develop quantum dots characterization algorithms by implementing characterization and metrics estimation procedures to assess the quality of large-scale FDSOI CMOS quantum dots devices. This development and experimental work will be carried out in collaboration with the quantum device integration team at CEA-Leti, and the characterization teams at CNRS-Néel and CEA-Irig. Evaluation of these metrics at wafer batch scale will provide a global understanding of quantum device functionalities. This will enable the exploration of more complex devices, and the implementation of systematic functional tests for existing devices. [1] Vinet, M. et al. Towards scalable silicon quantum computing, IEDM (2018). [2] Mortemousque, P.-A. et al. Coherent control of individual electron spins in a two-dimensional quantum dot array. Nat. Nanotechnol. (2020) doi:10.1038/s41565-020-00816-w