Composants et circuits quantiques à base de nanofils hybrides – QUADIC

Ce projet soutiendra une collaboration entre des chercheurs des États-Unis et de la France visant à explorer et améliorer le potentiel des dispositifs à nanofils pour la science de l’information quantique. Le projet consistera à concevoir, fabriquer et caractériser des circuits quantiques non linéaires à bruit quantique limité, tels que des amplificateurs paramétriques, exploitant les caractéristiques uniques de la plateforme hybride de matériaux.

Ces dispositifs offriront des avantages opérationnels uniques, notamment une grande accordabilité par grille dépassant 1 GHz, des gains allant jusqu’à 20 dB, une bande passante dynamique de l’ordre de 40 MHz et une compatibilité avec des champs magnétiques allant jusqu’à 1 Tesla. Les applications de ces dispositifs incluent l’amplification quantique à bruit limité avec une consommation de pompe réduite, ainsi qu’un potentiel d’utilisation dans de nouveaux schémas de portes à deux qubits. La compatibilité avec les champs magnétiques ouvre la voie à leur intégration dans des plateformes de qubits de spin et de futurs ordinateurs quantiques topologiques.

La conception des dispositifs sera basée sur des effets Josephson non conventionnels, tels que des relations courant-phase asymétriques. L’interaction spin-orbite intrinsèque et les grands facteurs de Landé effectifs dans l’InAs seront exploités pour induire de fortes non-linéarités d’ordre trois dans les éléments inductifs Josephson, réalisant ainsi dans une seule jonction l’équivalent de circuits quantiques tels que l’élément inductif asymétrique non linéaire supraconducteur (SNAIL).

Le projet fonctionnera sur un mode de collaboration rapide et étroite entre les équipes des États-Unis et de la France. Les nanofils d’InAs seront cultivés et étudiés à l’Institut Néel/CNRS et au PHELIQS/CEA à Grenoble, France. Les dispositifs quantiques seront fabriqués et mesurés à Pittsburgh, tandis que la conception et la théorie des dispositifs de premier principe seront développées en France.

Mérite scientifique
La plateforme hybride offre une accordabilité électrique des caractéristiques Josephson, un paramètre clé pour l’évolutivité des circuits quantiques. Les amplificateurs paramétriques quantiques jouent un rôle central dans les schémas de détection à bruit quantique limité ainsi que dans le couplage de circuits quantiques distants. La qualité des nanofils, notamment leur croissance épitaxiale sans défauts, est considérée comme un facteur déterminant des performances des dispositifs quantiques.

Impacts sociétaux
L’importance de ces travaux pour les technologies quantiques dépasse le simple développement de nouveaux modes de circuits quantiques. L’élaboration de circuits quantiques supraconducteurs compatibles avec les champs magnétiques a un impact direct sur les qubits de spin à base de boîtes quantiques ainsi que sur les expériences quantiques topologiques. La recherche sur la croissance et la caractérisation des nanofils hybrides bénéficiera également à l’exploration des fermions de Majorana, où la croissance cristalline constitue actuellement un goulot d’étranglement.

Le programme formera des étudiants en master et en doctorat dans le domaine des sciences et technologies quantiques, les préparant à des carrières académiques et industrielles liées au quantique. Il facilitera des stages bilatéraux entre les États-Unis et la France, permettant aux étudiants d’enrichir leur expérience académique, scientifique et culturelle. L’équipe a déjà une expérience dans l’échange d’étudiants via le programme GIANT International Interns