Circuits quantiques supraconducteurs à base de graphène – GRAPHMON

Le contrôle des états quantiques permet d'envisager des dispositifs qui vont révolutionner les technologies de l'information et de la communication. Il est désormais possible de fabriquer et d’isoler des objets aux propriétés quantiques, qui peuvent être préparés dans une superposition arbitraire d’états quantiques. Plusieurs démonstrations d'une des briques de base de tels dispositifs, le bit quantique (Qubit), ont été réalisées. Les approches basées sur l'utilisation de supraconducteurs permettent de produire des Qubits performants dans des architectures avancées. Néanmoins ils présentent le défaut de devoir être contrôlés par des champs magnétiques, ce qui n'est pas un standard pour l'industrie et pose déjà des problèmes pour des circuits de taille grandissante. Les approches basées sur des semiconducteurs rendent possible la réalisation de Qubits de spin contrôlables par des champs électriques. Ils sont prometteurs pour l'intégration à large échelle du fait de leur compatibilité avec les technologies de la microélectronique. Néanmoins, ils devront être co-intégrés avec des résonateurs supraconducteurs, la seule solution viable pour la lecture rapide d'un état quantique.
Pour réconcilier ces deux approches, je propose l'intégration d'un semiconducteur, le graphène, dans l'élément clé des Qubits supraconducteurs, la jonction Josephson, un lien faible entre deux électrodes supraconductrices. Ceci créera un élément Josephson contrôlable par un champ électrique. Les circuits quantiques basés sur cet élément gagneront un contrôle électrique, une avancée majeure pour l’intégration future. Avec l’aide d’un fort support théorique, des éléments clés pour les technologies quantiques seront démontrés dans ce projet : un Qubit contrôlable électriquement, un amplificateur paramétrique Josephson à la limite quantique pompé électriquement ainsi qu’un coupleur entre Qubits adressable électriquement, ce qui sera une étape majeure en vue d’une intégration à grande échelle. Au-delà de ces démonstrations, les propriétés uniques d’une jonction Josephson en graphène seront utilisées pour fabriquer un Qubit protégé topologiquement, i.e. un Qubit intrinsèquement immunisé contre la décohérence, un sujet au cœur des problématiques actuelles du calcul quantique.

Le graphène, qui peut maintenant être crû à l'échelle du wafer en gardant d'excellentes propriétés électroniques, a une épaisseur de seulement un atome. Il peut être combiné avec les technologies dominantes de la microélectronique en utilisant les techniques de transfert récemment développées. C’est un atout fondamental pour les développements futurs et un avantage décisif comparé aux technologies concurrentes basées sur des nanofils semiconducteurs ou des gaz bidimensionnels d’éléctrons.