Hybrid circuit quantum electrodynamics with a hole spin in silicon
Electrodynamique quantique en circuit hybride avec un spin de trou dans le silicium
Résumé
Coherent and strong coupling between photons and solid-state qubits, in the form of circuit quantum electrodynamics (QED), has been harnessed for two-qubit gates mediated by photons and high-fidelity quantum non-demolition readout, which are the building blocks of large-scale quantum computation. Recently, circuit QED has been extended to gate-defined semiconductor quantum dots. In this thesis, we develop a novel hybrid circuit QED architecture composed of a high-impedance superconducting microwave resonator and spins localized in silicon-MOS quantum dots. To control and measure the spin degrees of freedom, this hybrid system needs to operate at finite magnetic field. Consequently, we develop and characterize microwave resonators based on thin niobium nitride (NbN) films featuring a high kinetic inductance. We demonstrate high-impedance resonators with magnetic field resilience and low photon loss rates. We then co-integrate the NbN resonators on silicon spin qubit chips. With a hole confined in a double quantum dot (DQD), we report the first realization of a strong hole charge-photon interaction bordering the ultra-strong coupling regime. At finite magnetic field, putting the spin transition energy in resonance with the microwave cavity, we observe large vacuum Rabi mode splittings, signature of a strong spin-photon coupling. Our findings are well captured by the modelling of a hole DQD with different anisotropic Zeeman response in each dot and spin-orbit coupling dependent tunnel rates. We also find a sizeable spin-photon coupling when the hole is localized in the single quantum dot, in line with recent theoretical predictions. The different works presented in this manuscript pave the way for circuit QED with hole spins in gate-defined semiconductor quantum dots.
Le couplage cohérent et fort entre les photons et les qubits basés sur des matériaux solides, sous la forme de l'électrodynamique quantique de circuit (en anglais circuit QED), a été exploité notamment pour les portes logiques à deux qubits et la lecture haute fidélité sans démolition d’état formant les blocs fondateurs du calcul quantique. Récemment, la circuit QED a été étendue aux boîtes quantiques semi-conductrices définies par des grilles. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle architecture hybride de circuit QED composée d'un résonateur micro-onde supraconducteur à haute impédance et de spins localisés dans des boîtes quantiques en silicium-MOS. Afin de contrôler et mesurer les degrés de liberté du spin, ce système hybride doit s'opérer dans un champ magnétique fini. Par conséquent, nous développons et caractérisons les résonateurs micro-ondes formés dans un film mince de nitrure de niobium (NbN) comportant une haute cinétique inductance. Nous démontrons la résilience au champ magnétique et une faible perte de photons des résonateurs à haute impédance. Nous co-intégrons ensuite les résonateurs sur les puces des qubits de spin en silicium. Avec le confinement d'un trou dans une double boîte quantique (DQD), nous présentons la première démonstration d'une interaction forte entre une charge de trou et un photon à la limite du régime de couplage ultra-fort. Sous champ magnétique fini, nous observons des répulsions des états de Rabi du vide caractéristiques d'un couple fort spin-photon. Nos résultats sont bien capturés par la modélisation d'un trou dans une DQD avec une réponse anisotrope différente dans chaque boîte et des taux de tunnel dépendant du couplage spin-orbite. Nous trouvons également un couplage spin-photon conséquent lorsque le trou est localisé dans une boîte quantique unique, en accord avec les prédictions théoriques récentes. Ces différents travaux présentés dans ce manuscrit ouvrent la voie à un circuit QED avec des spins de trous dans une boîte quantique semi-conductrice définie par des grilles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)