Nanofabrication de boîtes quantiques latérales pour l'optimisation de qubits de spin

On présente dans ce travail un nouveau type de qubit de spin dont les performances reposent sur les propriétés d'un seul électron dans une double boîte quantique. Le fort moment dipolaire de la double boîte combiné à une large variation du champ magnétique entre les deux boîtes permettrait de réaliser des opérations logiques plus rapidement que dans une seule boîte quantique. Pour maximiser les variations du champ magnétique, on utilisera un micro-aimant placé le plus près possible d'une des deux boîtes. À cette fin, une hétérostructure de GaAs/A1GaAs sur laquelle sont déposées des grilles d'aluminium a été utilisée pour former une double boîte quantique latérale. L'occupation par un seul électron de la double boîte est confirmée par des mesures de transport électrique à basse température ainsi que par l'observation du blocage de spin. De plus, un procédé d'oxydation des grilles par plasma d'oxygène a été développé. Une étude des propriétés de l'oxyde formé par cette méthode montre qu'il est possible de placer un micro-aimant directement sur la surface de l'hétérostructure sans affecter l'isolation électrique entre les grilles. Cette nouvelle approche permet de produire des champs magnétiques encore plus intenses que dans les expériences antérieures, pour lesquelles le micro-aimant est placé beaucoup plus loin de la surface. L'ensemble du procédé de fabrication, de la photolithographie à l'électrolithographie, a été développé au cours de ce travail dans les salles blanches du département de génie électrique et dans les salles propres du département de physique de l'Université de Sherbrooke. Ce travail est une étape importante dans la réalisation de qubits de spin plus performants dans les boîtes quantiques latérales

Autonomous quantum error correction of Gottesman-Kitaev-Preskill states

The Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) code encodes a logical qubit into a bosonic system with resilience against single-photon loss, the predominant error in most bosonic systems. Here we present experimental results demonstrating quantum error correction of GKP states based on reservoir engineering of a superconducting device. Error correction is made autonomous through an unconditional reset of an auxiliary transmon qubit. The lifetime of the logical qubit is shown to be increased from quantum error correction, therefore reaching the point at which more errors are corrected than generated.Comment: 6 pages, 3 figures + 26 pages, 12 figure

Nanofabrication de boîtes quantiques latérales pour l'optimisation de qubits de spin

On présente dans ce travail un nouveau type de qubit de spin dont les performances reposent sur les propriétés d'un seul électron dans une double boîte quantique. Le fort moment dipolaire de la double boîte combiné à une large variation du champ magnétique entre les deux boîtes permettrait de réaliser des opérations logiques plus rapidement que dans une seule boîte quantique. Pour maximiser les variations du champ magnétique, on utilisera un micro-aimant placé le plus près possible d'une des deux boîtes. À cette fin, une hétérostructure de GaAs/A1GaAs sur laquelle sont déposées des grilles d'aluminium a été utilisée pour former une double boîte quantique latérale. L'occupation par un seul électron de la double boîte est confirmée par des mesures de transport électrique à basse température ainsi que par l'observation du blocage de spin. De plus, un procédé d'oxydation des grilles par plasma d'oxygène a été développé. Une étude des propriétés de l'oxyde formé par cette méthode montre qu'il est possible de placer un micro-aimant directement sur la surface de l'hétérostructure sans affecter l'isolation électrique entre les grilles. Cette nouvelle approche permet de produire des champs magnétiques encore plus intenses que dans les expériences antérieures, pour lesquelles le micro-aimant est placé beaucoup plus loin de la surface. L'ensemble du procédé de fabrication, de la photolithographie à l'électrolithographie, a été développé au cours de ce travail dans les salles blanches du département de génie électrique et dans les salles propres du département de physique de l'Université de Sherbrooke. Ce travail est une étape importante dans la réalisation de qubits de spin plus performants dans les boîtes quantiques latérales

Ingénierie de systèmes quantiques pour une mise à l’échelle compatible aux plateformes industrielles de microélectronique

Les travaux présentés dans cette thèse couvrent le développement de systèmes quantiques compatibles aux méthodes de fabrications de la microélectronique. Plus particulièrement, l’ingénierie de microaimants individuels ou en réseaux, vise à favoriser le couplage entre le spin et la charge des électrons dans des architectures de qubits semiconducteurs afin d’en améliorer les propriétés et favoriser leur mise à l’échelle. D’abord, un guide de conception basé sur des simulations numériques permet l’optimisation d’aimants pour les qubits de spin unique dans les boîtes quantiques. Les architectures résultantes visent la minimisation de l’impact du bruit électrique tout en favorisant des opérations logiques rapides et compatibles avec la mise à l’échelle des qubits en un réseau linéaire. Suivant les lignes directrices établies, une plateforme de fabrication de caractérisation et d’intégration d’aimants est présentée. La caractérisation d’aimants individuels valide les résultats de simulations numériques, alors que l’intégration de ceux-ci à des boîtes quantiques à l’état de l’art pose des balises pour les développements futurs. Dans l’objectif d’explorer des structures industrielles pour la mise à l’échelle des qubits de spin, des dispositifs entièrement fabriqués en fonderie sont caractérisés. Ces dispositifs montrent une reproductibilité remarquable pour l’opération de transistors classiques et permettent l’identification des lacunes issues des modèles théoriques aux basses températures. La formation de boîtes quantiques est démontrée et différents régimes d’opérations sont explorés. Finalement, une architecture à base de gaz bidimensionnel d’électrons et de réseaux d’aimants est proposée pour l’étude d’états liés de Majorana. L’optimisation numérique de ces réseaux permet d’envisager des signatures expérimentales de ces états dans une plateforme compatible aux méthodes industrielles de fabrication. Dans cette optique, la possibilité d’induire la supraconductivité dans un gaz d’électrons de Si/SiGe est explorée de façon à rassembler tous les ingrédients nécessaires à l’émergence de ces états

Ingénierie de systèmes quantiques pour une mise à l’échelle compatible aux plateformes industrielles de microélectronique

Les travaux présentés dans cette thèse couvrent le développement de systèmes quantiques compatibles aux méthodes de fabrications de la microélectronique. Plus particulièrement, l’ingénierie de microaimants individuels ou en réseaux, vise à favoriser le couplage entre le spin et la charge des électrons dans des architectures de qubits semiconducteurs afin d’en améliorer les propriétés et favoriser leur mise à l’échelle. D’abord, un guide de conception basé sur des simulations numériques permet l’optimisation d’aimants pour les qubits de spin unique dans les boîtes quantiques. Les architectures résultantes visent la minimisation de l’impact du bruit électrique tout en favorisant des opérations logiques rapides et compatibles avec la mise à l’échelle des qubits en un réseau linéaire. Suivant les lignes directrices établies, une plateforme de fabrication de caractérisation et d’intégration d’aimants est présentée. La caractérisation d’aimants individuels valide les résultats de simulations numériques, alors que l’intégration de ceux-ci à des boîtes quantiques à l’état de l’art pose des balises pour les développements futurs. Dans l’objectif d’explorer des structures industrielles pour la mise à l’échelle des qubits de spin, des dispositifs entièrement fabriqués en fonderie sont caractérisés. Ces dispositifs montrent une reproductibilité remarquable pour l’opération de transistors classiques et permettent l’identification des lacunes issues des modèles théoriques aux basses températures. La formation de boîtes quantiques est démontrée et différents régimes d’opérations sont explorés. Finalement, une architecture à base de gaz bidimensionnel d’électrons et de réseaux d’aimants est proposée pour l’étude d’états liés de Majorana. L’optimisation numérique de ces réseaux permet d’envisager des signatures expérimentales de ces états dans une plateforme compatible aux méthodes industrielles de fabrication. Dans cette optique, la possibilité d’induire la supraconductivité dans un gaz d’électrons de Si/SiGe est explorée de façon à rassembler tous les ingrédients nécessaires à l’émergence de ces états