Control and characterization of a spin-orbit-driven singlet-triplet qubit in silicon

Les spins dans les semi-conducteurs sont d’excellents candidats pour l’implémentation d’un ordinateur quantique universel puisqu’ils sont compacts, peuvent être opérés à des températures relativement élevées, ont le potentiel d’atteindre des temps de cohérence très longs, et peuvent être combinés avec d’autres technologies quantiques pour former des systèmes hybrides. En particulier, les dispositifs fabriqués en silicium isotopiquement enrichi offrent des fidélités accrues et ont un processus de fabrication compatible avec les techniques utilisées dans les fonderies CMOS. Cette thèse étudie un qubit singulet-triplet confiné dans une boîte quantique double en silicium isotopiquement enrichi. Dans la première partie, cette thèse montre comment caractériser et ajuster la double boîte pour atteindre le régime de contrôle désiré. Une méthode numérique est développée pour trianguler la position des boîtes quantiques et des donneurs implantés dans le substrat. Un nouveau modèle permettant de prédire les taux tunnel en fonction des voltages de grille est également proposé, puis vérifié expérimentalement. Dans la deuxième partie, cette thèse montre comment implémenter le contrôle résolu en temps d’un qubit singulettriplet entraîné par l’interaction spin-orbite. Deux méthodes différentes permettant d’implémenter des rotations arbitraire sur un qubit sont démontrées : la méthode pulsée (DC) et la méthode résonante (AC). Il est montré que le régime où le qubit est fortement entraîné peut être atteint à l’aide de ces portes résonantes. Finalement, la tomographie d’ensemble de portes (gate set tomography) est utilisée pour comparer ces deux types de portes logiques. Les résultats semblent indiquer que les portes résonantes sont de plus haute fidélité que les portes pulsées, et cela malgré le fait qu’elles soient plus lentes et qu’elles aient un facteur de qualité plus petit que ces dernières. Ces travaux sont les premiers à utiliser cette méthode tomographique pour caractériser des rotations autour de deux axes non-orthogonaux.Abstract : Spins in semiconductors are attractive candidates for a universal quantum computer because they are compact, can be operated at relatively high temperature, have potentially long coherence times, and can be combined with other quantum technologies to form hybrid systems. Devices made using isotopically-enriched silicon offer the additional advantages of increased coherence time due to the relative absence of nuclear spins, and compatibility with existing CMOS foundry fabrication techniques. This work studies a singlet-triplet qubit formed in an enriched silicon metal-oxide-semiconductor double quantum dot device. The first part of this thesis presents techniques that are useful for characterizing the double-dot device and tuning it to the few electron regime. A capacitance-based numerical method is developed to triangulate the position of quantum dots and implanted donor atoms. Additionally, a new model that predicts dot-lead tunnel rates for varying gate voltages is proposed and its validity is demonstrated over a wide range of values. The second part of this thesis shows how to perform time domain control on a spin-orbit-driven singlet-triplet qubit. Two different methods for performing arbitrary single-qubit rotations are demonstrated: fast DC-controlled pulses, and slower resonantly-driven AC pulses. Evidence of the resonantly-driven pulses being pushed to the strongly-driven regime is shown. The final part of this thesis uses gate set tomography to compare the fidelity of these two types of single-qubit operations. Preliminary results seem to indicate that the resonantly-driven rotations have a higher fidelity than the DC-controlled operations despite the fact that the former are slower and have a smaller quality factor than the latter. This work constitutes the first time that gate set tomography is used to characterize a non-orthogonal set of gates

Fabrication de nanoaimants pour le contrôle rapide d'un spin électronique dans une boîte quantique double

Un ordinateur quantique est un ordinateur formé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des propriétés quantiques de la matière. Un grand intérêt est porté au développement d’un tel ordinateur depuis qu’il a été montré que le calcul quantique permettrait d’effectuer certains types de calculs exponentiellement plus rapidement qu’avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. D’ailleurs, plusieurs algorithmes ont déjà été suggérés pour résoudre efficacement des problèmes tels que la factorisation de grands nombres premiers et la recherche dans des listes désordonnées. Avant d’en arriver à un ordinateur quantique fonctionnel, certains grands défis doivent être surmontés. Un de ces défis consiste à fabriquer des qubits ayant un temps d’opération nettement inférieur au temps de cohérence (temps durant lequel l’état du qubit est conservé). Cette condition est nécessaire pour parvenir à un calcul quantique fiable. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches visent à augmenter le temps de cohérence en choisissant judicieusement les matériaux utilisés dans la fabrication des qubits en plus d’imaginer de nouvelles méthodes d’utiliser ces dispositifs pour diminuer la durée des opérations. Une manière simple d’implémenter un qubit est de piéger quelques électrons dans l’espace et d’utiliser l’état de spin de cet ensemble d’électrons pour encoder les états du qubit. Ce type de dispositif porte le nom de qubit de spin. Les boîtes quantiques (BQs) latérales fabriquées sur des substrats de GaAs/AlGaAs sont un exemple de qubit de spin et sont les dispositifs étudiés dans ce mémoire. En 2007, Pioro-Ladrière et al. ont suggéré de placer un microaimant à proximité d’une BQ pour créer un gradient de champ magnétique non-uniforme et permettre d’effectuer des rotations de spin à l’aide d’impulsions électriques rapides. Ce mémoire présente comment modifier la géométrie de ces microaimants pour obtenir un plus grand gradient de champ magnétique dans la BQ. Une nouvelle technique de contrôle de spin menant à des rotations de spin et de phase plus rapides sera aussi détaillée. Enfin, il sera montré que le département de physique de l’Université de Sherbrooke possède tous les outils nécessaires pour implémenter cette méthode