A Qubit insensitive to noise

Un bit quantique isolé du bruit 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.