Spin qubits made of quantum dots and donors in silicon

L'informatique quantique est en phase de transition. De science fondamentale, elle est maintenant devenue suffisamment mature pour attirer les investissements des géants de la microélectronique. Il n'en reste pas moins que l'architecture de l'ordinateur quantique du futur est tout sauf déterminée. Les semi-conducteurs, en particulier le silicium, sont une plateforme prometteuse pour réaliser des bits quantiques (qubits). Plusieurs approches sont considérées, chacune atteignant un équilibre différent entre le contrôle, la mesure et l'isolation de l'environnement nécessaire pour préserver l'information quantique. D'un côté, les spins électroniques dans des boîtes quantiques sont des systèmes ajustables in situ. Ceux-ci peuvent être nanofabriqués en réseaux définis par des électrodes de grille. Le couplage entre plusieurs qubits a été démontré. Par contre, la fidélité de ces systèmes n'est pas encore suffisamment au-dessus des seuils de correction d'erreur quantique. D'un autre côté, les spins nucléaires de donneurs atteignent des fidélités impressionnantes, bien supérieures aux boîtes quantiques. Cependant, le couplage entre plusieurs spins nucléaires demeure difficile à cause de la taille atomique de ces systèmes. Cette thèse démontre le couplage cohérent entre un donneur et une boîte quantique. Le système hybride forme un nouveau qubit de type singulet-triplet entraîné par l'interaction avec le spin nucléaire du donneur. Le nouveau qubit est rapide, compact et pourrait permettre l'accès entièrement électrique au spin nucléaire. L'ajustabilité de la boîte quantique confère une flexibilité au système qui pourrait permettre de coupler des spins nucléaires entre eux à travers les boîtes quantiques, sans nécessiter de fabrication atomiquement précise. Pour effectuer la lecture du qubit, une méthode d'amplification du signal et de verrouillage de la charge est employée. Les travaux permettent d'identifier les mécanismes de relaxation de la méthode de lecture. Une fidélité de lecture d'un seul coup supérieure à 99.86% est démontrée. La méthode de lecture est rapide, génère un grand signal et possède la plus haute fidélité de lecture à ce jour. Grâce à sa polyvalence, la méthode est par la suite utilisée pour étudier un autre nouveau qubit singulet-triplet basé sur une double boîte quantique. Les travaux identifient une grande interaction spin-orbite comme mécanisme d'entraînement, jetant la lumière sur l'importance sous-appréciée de cette interaction dans le silicium. Les travaux de la thèse confirment, grâce à deux nouveaux qubits, que le système métal–oxyde–semi-conducteur en silicium est comparable aux autres matériaux en termes de bruit de charge et est un système viable pour la fabrication de qubits.Abstract: Quantum computing is in a transformation period. From fundamental science, it has now become mature enough to attract investments from the microelectronics giants. Nonetheless, the architecture of the quantum computer of the future is far from determined. Semiconductors, and silicon in particular, are a promising platform to realize quantum bits (qubits). Many approaches are considered, each one reaching a different balance between control, measurement and the isolation from the environment necessary to preserve quantum information. On the one hand, electron spins in quantum dots are in situ adjustable systems. Quantum dots can be nanofabricated in networks defined by gate electrodes. The coupling between many qubits has been demonstrated. However, the fidelity of these systems is not yet sufficiently over the quantum error correction thresholds. On the other hand, donor nuclear spins reach impressive fidelities, much superior to those of quantum dots. Yet, the coupling between many nuclear spins remains challenging because of the atomic size of these systems. This thesis demonstrates the coherent coupling between a donor and a quantum dot. The hybrid system forms a new qubit of the singlet-triplet type driven by the interaction with the nuclear spin of the donor. The new qubit is fast, compact and could allow all-electrical access to the nuclear spin. The tunability of the quantum dot confers flexibility to the system which could enable the mutual coupling of nuclear spins through the quantum dots, without requiring atomically-precise fabrication. To read out the qubit, a method of signal enhancement and charge latching is used. The work identifies the relaxation mechanisms of the readout method. A single-shot readout fidelity superior to 99.86% is achieved. The readout method is fast, generates a large signal and possesses the highest fidelity to date. Thanks to its versatility, the method is subsequently used to study another new singlet-triplet qubit based on double quantum dots. The work identifies a large spin-orbit interaction as the driving mechanism, shedding light on the underappreciated importance of this interaction in silicon. The work in this thesis confirms, thanks to two new qubits, that the silicon metal–oxide–semiconductor system is comparable to other materials in terms of charge noise and is a viable system for the fabrication of qubits