Qubits de spin adressables optiquement dans le silicium 28 – OCTOPUS

Le projet OCTOPUS vise à développer toutes les briques de base d'une interface spin-photon fonctionnant aux longueurs d'onde télécom, dans le silicium 28 purifié isotopiquement, en explorant les propriétés magnéto-optiques d'une impureté isovalente à base de carbone, le centre G. Le consortium d'OCTOPUS est constitué de trois partenaires avec des expertises complémentaires en croissance, nanofabrication et spectroscopie: L2C-Montpellier (coordinateur), CEA-Grenoble, et IM2NP-Marseille.

Le centre G a été initialement étudié dans des échantillons de silicium riches en carbone, irradiés à haute énergie et recuits à haute température. Il y a trente ans, l'objectif était la croissance de cristaux de silicium aussi purs que possible, avec des efforts importants pour supprimer les impuretés du silicium. Après un bref renouveau il y a dix ans dans le contexte de l'émission laser dans des cristaux photoniques, les centres G du silicium restent inexplorés pour les technologies quantiques.

Dans ce contexte, un point clef des centres G est leur émission dans la bande O des télécommunications par fibre optique, entre 1260 et 1360 nm. D'autre part, il a été montré dans les années 80, que le centre G a un état triplet de spin (S=1), qui peut être initialisé par pompage optique et lu par détection optique de la résonance magnétique en utilisant des outils similaires à ceux employés couramment de nos jours pour détecter optiquement le spin électronique dans des systèmes à l'état solide. Enfin, depuis juillet 2017, le CEA-Grenoble (partenaire 2 dans OCTOPUS) est capable de fabriquer des couches de silicium 28 purifié isotopiquement par déposition en phase vapeur, et de produire des échantillons de silicium sur isolant par la technologie SmartCut@process. Grâce à cette avancée stratégique, ce partenaire est maintenant à la pointe du développement de circuits quantiques avancés dans des échantillons de silicium sur isolant. Dans le projet OCTOPUS, le CEA-Grenoble fournit un environnement quantiquement pur pour tirer profit des propriétés prometteuses des centres G, dans la perspective d'une interface spin-photon, dans des dispositifs en silicium, fonctionnant aux longueurs d'onde télécom.

Avec cette technologie, le projet OCTOPUS permettra de réaliser une avancée majeure dans la compréhension et le contrôle des propriétés de base des centres G dans le silicium, ainsi que pour le développement d'applications en technologies quantiques. Plus spécifiquement, les objectifs principaux du projet sont les suivants:
i. de créer des centres G individuels par implantation ionique dans des nanostructures photoniques, qui fourniront une source intégrée de photons uniques dans le silicium émettant aux longueurs d'onde télécom;
ii. de détecter et contrôler le spin électronique d'un centre G dans des échantillons de silicium purifié isotopiquement;
iii. d'utiliser le spin nucléaire du défaut comme mémoire quantique robuste.

Ce travail permettra d'évaluer le potentiel des centres G dans le silicium pour une interface spin-photon fonctionnant aux longueurs d'onde télécom. De fait, l'ambition d'OCTOPUS est de développer une technologie quantique de rupture, compatible avec les deux marchés majeurs de l'électronique et des télécommunication par fibre optique. Le succès d'OCTOPUS positionnera notre consortium à la pointe de la recherche sur les centres G pour les technologies quantiques sur silicium. D'autre part, du fait du long délai de fabrication des puces CMOS quantiques en silicium 28, OCTOPUS est susceptible d'être le premier projet à démontrer la maturité de la filière silicium 28 sur isolant fabriqué au CEA-Grenoble. OCTOPUS renforcera donc la visibilité de la communauté française dans le contexte européen du Flagship sur les technologies quantiques.