Gate reflectometry as readout and spectroscopy tool for silicon spin qubits

En raison de la fidélité croissante des grilles et de la transférabilité potentielle à la technologie CMOS industrielle, les qubits de spin en silicium sont devenus une option incontournable dans la course pour le calcul quantique. Cependant, les qubits de spin de trous dans le silicium reste une plate-forme d’hébergement à peine explorée par rapport à leurs homologues d’électrons. Les spins de trous ont des propriétés intéressantes: par exemple, un fort couplage spin-orbite permet des rotations de spin cohérentes rapides en utilisant un champ électrique radiofréquence; aussi, on s’attend à de longs temps de cohérence dus à l’absence d’interaction hyperfine de contact. Dans cette thèse, nous menons des expériences sur des dispositifs à nanofils de silicium de type p pour tirer parti des propriétés mentionnés ci-dessus.Afin d’ouvrir la voie à des processeurs quantiques à grande échelle, le développement de schémas de lecture de qubit évolutifs impliquant une surcharge minimale du dispositif est une étape convaincante. Nous rapportons ici la mise en œuvre de la réflectométrie RF couplée par grille pour la lecture dispersive d’un dispositif de qubit de spin de trou entièrement fonctionnel. Nous utilisons un transistor à double grille de type p fabriqué à l’aide de la technologie silicium au standard industriel. La première grille confine un ilot quantique de trou codant le qubit de spin, la seconde un ilot auxiliaire permettant la lecture. L’état du qubit est mesuré par la réponse de phase d’un résonateur à éléments localisés à un effet tunnel interdot sélectif en spin. Le schéma de lecture de qubit démontré ne nécessite aucun couplage à un réservoir de Fermi, offrant ainsi une solution compacte et potentiellement évolutive dont le fonctionnement peut être étendu au-dessus de 1 K.Dans une architecture évolutive, chaque qubit de spin devra être finement réglé et ses conditions de fonctionnement déterminées avec précision. Dans cette perspective, les outils spectroscopiques compatibles avec une disposition évolutive des appareils sont d’une importance primordiale. Nous rapportons ici une technique de spectroscopie à deux tons donnant accès au spectre de niveau d’énergie dépendant du spin d’un double ilot quantique à trous défini dans un dispositif de silicium à grille divisée. Une première tonalité de fréquence GHz entraîne la résonance de spin dipolaire électrique activée par le couplage spin-orbite en bande de valence. Une deuxième tonalité de fréquence inférieure (≈500 MHz) permet une lecture dispersive via la réflectométrie à grille RF. Nous comparons la réponse dispersive mesurée à la réponse linéaire calculée dans un modèle Jaynes-Cummings étendu et nous obtenons des paramètres caractéristiques tels que les facteurs g et les couplages tunnel/spin-orbite pour une occupation paire et impaire.Owing to ever increasing gate fidelities and to a potential transferability to industrial CMOS technology, silicon spin qubits have become a compelling option in the strive for quantum computation. However, hole spin qubits in silicon remain a barely explored hosting platform as compared to their electron counterpart. Hole spins carry some attractive properties: for instance, strong spin-orbit coupling enables fast coherent spin rotations using a radio-frequency electric field; also, we expect long coherence times due to the absence of contact hyperfine interaction. In this thesis, we conduct experiments on p-type silicon-nanowire devices to take advantage of the above mentioned properties.In order to pave the way for large-scale quantum processors, the development of scalable qubit readout schemes involving a minimal device overhead is a compelling step. Here we report the implementation of gate-coupled RF reflectometry for the dispersive readout of a fully functional hole spin qubit device. We use a p-type double-gate transistor made using industry-standard silicon technology. The first gate confines a hole quantum dot encoding the spin qubit, the second one a helper dot enabling readout. The qubit state is measured through the phase response of a lumped-element resonator to spin-selective interdot tunneling. The demonstrated qubit readout scheme requires no coupling to a Fermi reservoir, thereby offering a compact and potentially scalable solution whose operation maybe extended above 1 K.In a scalable architecture, each spin qubit will have to be finely tuned and its operating conditions accurately determined. In this prospect, spectroscopic tools compatible with a scalable device layout are of primary importance. Here we report a two-tone spectroscopy technique providing access to the spin-dependent energy-level spectrum of a hole double quantum dot defined in a split-gate silicon device. A first GHz-frequency tone drives electric-dipole spin resonance enabled by the valence-band spin-orbit coupling. A second lower-frequency tone (≈500 MHz) allows for dispersive readout via rf-gate reflectometry. We compare the measured dispersive response to the linear response calculated in an extended Jaynes-Cummings model and we obtain characteristic parameters such as g-factors and tunnel/spin-orbit couplings for both even and odd occupation