A Qubit insensitive to noise
Un bit quantique isolé du bruit
Résumé
Spin quantum bits (qubits) defined in semiconductor quantum dots have emerged as a promising platform for quantum information processing. In particular, group IV semiconductors such as silicon and germanium show encouraging results. Among their numerous qualities, the biggest strength of silicon is its compatibility with mainstream manufacturing technology and the ability to eliminate spurious nuclear spins through isotopic purification. Furthermore, electron spin qubits can take advantage of electron dipole spin resonance enabled via an artificial spin orbit coupling, allowing for fast and full electrical spin manipulation. Although quantum dots promise to enable high-integration densities due to their small footprint, the necessity to use cumbersome add-ons to leverage the spin orbit coupling worsens the scalability prospect. Conversely, hole states in silicon possess an intrinsic and fully tunable spin orbit coupling, key for practical, fast and potentially scalable qubit control. In this thesis, we report a single hole spin with enhanced coherence time in natural silicon, achieved by the understanding and the optimization of the spin orbit coupling.It is intrinsically hard to measure the spin state of a single particle. Consequently, we mapped the spin onto the charge state via an energy selective readout. To do so, a built-in sensor is created by bringing into resonance a large hole island with a reservoir, which is then connected to a tank circuit. The signal is finally recorded via radio frequency reflectometry, allowing for fast and efficient charge sensing. A single hole was then isolated close to the sensor, to study its properties. The spin-orbit coupling combined with asymmetric confinement of the hole give rise to an anisotropic Zeeman energy. Consequently, we measured the g-factors and the spin susceptibility as a function of magnetic field orientation. Although, full electrical driving of hole spin state is a strength, it also renders the qubits sensitive to surrounding electrical noise. We demonstrated that for specific magnetic field orientation, we were able to minimize the longitudinal coupling, improving by a factor five the coherence time. The above-mentioned tuning offers a method to hide the qubit from the noise, helping to improve its property. We also studied the origin of noise affecting the spin lifetime. At low frequency, magnetic noise from the remaining silicon 29 isotope emerge as a highly probable candidate, while at high frequency the main noise source is electrical. The absence of phonons, which should be the main mechanism for spin flips, however remains an open question. The presented work offers a new tunable basic unit, made with CMOS technologies for quantum information processing.
Les bits quantiques de spin (qubits de spin) piégés dans des boites quantiques sont apparus comme une plateforme prometteuse pour le traitement de l'information quantique. En particulier, les semi-conducteurs du groupe IV tels que le silicium et le germanium présentent des résultats particulièrement encourageants. Parmi ses nombreuses qualités, le plus grand atout du silicium reste sa compatibilité avec les technologies de fabrication courantes et la possibilité d'éliminer les spins nucléaires parasites via une purification isotopique. En outre, les qubits de spin électronique peuvent tirer parti de la résonance dipolaire de spin médiatisée par un couplage spin-orbite artificiel. Cette technique permet une manipulation particulièrement rapide de l'état de spin d'un électron. Bien que les boites quantiques promettent des densités d'intégration élevées en raison de leur faible empreinte spatiale, la nécessité d'utiliser des modules complémentaires excessivement encombrants pour tirer parti du couplage spin orbite est en réalité un frein dans une perspective d'évolutivité. À l'inverse, les états de trous dans le silicium possèdent un couplage spin-orbite intrinsèque et entièrement modulable, ce qui est un atout substantiel. Dans cette thèse, nous présentons un unique qubit de trou dont le temps de cohérence a été grandement amélioré grâce à une compréhension poussée du couplage spin orbite dans nos dispositifs. Les résultats obtenus prouvent que les trous d’électrons sont des concurrents de taille pour leurs homologues électroniques.Il est intrinsèquement difficile de mesurer l'état de spin d'une seule particule. Pour se faire, nous avons fait correspondre chaque état de spin à un état de charge qui est lui facilement mesurable. Ce type de mesure rendu possible grâce à la discrimination en énergie des états de spin. Concrètement, nous avons réalisé un capteur intégré à l’échantillon en mettant en résonance un grand îlot de trous d’électron avec leur réservoir. Ce dernier est également connecté un résonateur, qui est en permanence excité par une onde sinusoïdale. La réflexion de cette onde par le résonateur en fonction de l’état de charge du système constitue un détecteur à la pointe des performances atteignable en laboratoire à ce jour. Un seul trou d’électron a ensuite été isolé à proximité du capteur, afin d'étudier ses propriétés. Le couplage spin-orbite combiné au confinement asymétrique du trou donne lieu à une énergie Zeeman très anisotrope. Par conséquent, nous avons mesuré les facteurs g ainsi que la susceptibilité électrique de spin en fonction de l'orientation du champ magnétique. Toutefois, bien que ce couplage soit une aubaine, il rend paradoxalement les qubits de trou sensibles au bruit électrique environnant. Nous avons démontré que pour une orientation spécifique du champ magnétique, nous étions capables de minimiser le couplage longitudinal, améliorant d’un facteur cinq le temps de cohérence. La technique mentionné ci-dessus offre donc une méthode pour isoler le qubit du bruit, améliorant ainsi ses caractéristiques. Dans un second temps, nous avons également étudié l'origine du bruit affectant la durée de vie du spin. À basse fréquence, le bruit magnétique provenant de l'isotope 29 du silicium restant apparaît comme un candidat très probable, tandis qu'à haute fréquence, la principale source de bruit est dû à des parasites électriques. L'absence de phonons, qui devrait être le principal mécanisme de retournement du spin, reste cependant une question ouverte. Le travail présenté offre une nouvelle brique élémentaire pour le traitement de l'information quantique, réalisée à l’aide d’une technologies CMOS.
Origine : Version validée par le jury (STAR)