Charge and spin control of electron and holes in silicon quantum dot arrays
Contrôle de la charge et du spin des électrons et des trous dans les arrays de points quantiques en silicium
Résumé
This PhD thesis deals with the experimental investigation of charge and spin dynamicsin silicon-based quantum dot arrays, confining either electrons or holes.The work presented was carried out in collaboration with the CEA-LETI, where the samples were fabricated on 300-mm SOI (Silicon-On-Insulator) substrates using an industrial-level CMOS platform. With this technology, quantum dots are confined inside silicon nanowires etched in the SOI. The compatibility of these quantum devices with microelectronics production lines can eventually play a key role in the development of a large-scale quantum computing platform based on semiconductor quantum bits (qubits).In this prospect, the development of efficient and scalable qubit readout and manipulation schemes is a crucial step.Ideally, one would like to manipulate the spin of an electron, or of a hole, via a simple modulation of the gate voltage (in the range of tens of GHz), and to read the spin state via a radiofrequency reflectometry technique (typically in the range of several hundred MHz), which can be implemented by connecting a gate, or an ohmic contact, to an LC resonator. Such an idea has motivated several experiments carried out within the framework of this thesis.A first experiment was carried out on an n-type array with 2×3 quantum dots. It compares two readout schemes based on gate reflectometry. The first one, based on a dispersive readout mechanism, requires no additional control gates, facilitating the scale-up to large qubit arrays. The second one, based on charge-sensing readout, requires additional readout components, and hence additional control gates. On the other hand, this second scheme is less sensitive to the tunnel coupling between neighbouring quantum dots. As shown in this thesis, it also allows for fast charge detection, a necessary condition for single-shot qubit readout.Regarding spin manipulation, in this thesis I was able to measure signatures of electronspin resonance induced by an electric-field modulation. This observation confirmedthe existence of a spin-orbit coupling mechanism for electrons. However, the spin-orbit interaction turned out to be too weak to enable the observation of Rabi oscillations.Holes in silicon have an intrinsically stronger spin-orbit coupling than electrons. Therefore, holes are better suited for electrically-driven spin manipulation. In this thesis, I present an experimental study on a p-type device with six gates, demonstrating independent and simultaneous single-shot readout of the charge states of two quantum dots defined by the two central gates. The readout is carried out by means of rf reflectometry through two large hole quantum dots positioned at the ends of the silicon channel and acting as charge sensors.In a following experiment, an extension of the same readout technique was applied to afour-gate p-type device in which we have been able to demonstrate the coherent electrical control of a qubit based on a single hole and to achieve a coherence time close to 100 microseconds, well beyond the state-of-the-art.In order to minimize the number of control and readout gates, we studied and demonstrated the functionality of an elementary building block consisting of a double quantum dot defined in a p-type device with two gates. The first dot hosted a hole spin qubit and the second one was used for the readout of that qubit via dispersive reflectometry. The readout scheme used did not require any coupling to a Fermi reservoir, thereby offering an extremely compact and potentially scalable solution.In conclusion, this thesis work has largely focused on the exploration of different possible solutions for the readout of spin qubits in silicon nanowire SOI devices containing linear or bilinear arrays of quantum dots. In particular, my interest has focused on the development of solutions compatible with future large-scale integration.
Cette thèse de doctorat traite de l’étude expérimentale de la dynamique de charge et de spin dans des réseaux quantiques à base de silicium, confinant des électrons ou des trous.Ces travaux ont été effectués en collaboration avec le CEA-LETI où les échantillons sont réalisés en utilisant une plateforme de fabrication de niveau industriel à partir de substrats SOI (Silicon-On-Insulator) de 300 mm. Dans la technologie employée, les boîtes quantiques sont confinées à l’intérieur de nanofils de Silicium gravés dans le SOI. Lacompatibilité de ces dispositifs quantiques avec les lignes de production de la microélectronique pourrait jouer un rôle clé dans le développement d’une plate-forme de calcul quantique à grande échelle basée sur des bit quantiques (qubits) semi-conducteurs.Dans cette perspective, le développement de schémas de lecture et de manipulation efficaces et compatibles avec le passage à l’échelle est une étape cruciale.Idéalement, on voudrait manipuler le spin d’un électron, ou d’un trou, par une simplemodulation de la tension d’une grille, et de lire l’état de spin par une technique de réflectométrie à la radiofréquence, qui peut être réalisé en connectant une grille, ou un contacte Ohmic, à un résonateur LC.Une telle idée a a motivé plusieurs expériences effectuées dans le cadre de ce travail de thèse.Une première expérience a été réalisée avec un réseau de 2×3 boîtes quantiques detype n. Elle compare deux schémas de lecture basés sur la réflectométrie de grille. Le premier, basé sur un mécanisme de lecture dispersive, ne requiert aucune grille de contrôle additionnel, facilitant ainsi la mise à l’échelle de grands réseaux de qubit. Le deuxième, basé sur une lecture à détection de charge, ce qui comporte des grilles de contrôle additionnels. En revanche, ce deuxième schéma est moins sensible aux niveaux de couplage entre boîtes quantiques voisines.Comme montré dans cette thèse, il permet aussi la détection rapide de la charge, une condition nécessaire pour la lecture en mode « single-shot » des qubits.Concernant la manipulation de spin, j’ai pu mesurer des signatures de la résonance de spin d’électrons induites par une modulation de champs électrique. Cependant, cette interaction spin-orbit s’est révélé trop faible pour pour permettre l’observation des oscillations de Rabi.Les trous dans le Silicium possèdent un couplage spin-orbit intrinsèquement beaucoupplus fort que celui des électrons et sont mieux adaptés à une manipulation de spin par des champs électriques. Je présente une étude d’un dispositif à six grilles de type p, démontrant une lecture single-shot indépendante et simultanée des états de charge de deux boîtes quantiques définies par les deux grilles centrales.Une extension de la même technique de lecture est appliquée à un autre dispositif de type p à quatre grilles dans lequel nous avons pu démontrer le contrôle électrique cohérent d’un qubit basé sur un trou unique et des temps de cohérence proches de la centaine de microsecondes, largement au-delà de l’état de l’art.Dans le bût de minimiser le nombre de grilles de contrôle et lecture, nous avons démontré la possibilité de réaliser une brique élémentaire constituée par une doubleboîte quantique définie dans un dispositif de type p avec deux grilles. La première boîte joue le rôle du qubit de spin et la deuxième sert à la lecture du qubit par réflectométrie dispersive. Le schéma de lecture utilisé ne nécessite aucun couplage avec des réservoirs de Fermi, offrant ainsi une solution compacte et potentiellement compatible avec un passage à l’échelle.En conclusion, ce travail de thèse a été focalisé sur l’exploration de différentes solutions possibles pour la lecture de qubit de spin dans des dispositifs SOI à nanofil de Silicium contenant un réseau linéaire ou bilinéaire de boîtes quantiques. En particulier, je me suis intéressé à la problématique de rendre ces solutions compatibles avec une future intégration à large échelle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)