Coupler des donneurs et des boites quantiques dans le silicium pour des applications en information quantique – CODAQ

La physique quantique, appliquée aux technologies de l'information, devrait mener à des accroissements spectaculaires en matière de puissance et de vitesse de calcul ainsi qu'une révolution dans la manière dont on traite l'information. Cependant, pour parvenir à construire un ordinateur quantique, ses unités de bases, appelés qubits, doivent répondre à un certain nombre d’exigences. En particulier, ils doivent être résistants aux perturbations de l'environnement pour maintenir cohérente l'information qu’ils contiennent. Un des moyens les plus prometteurs pour créer de tels qubits consiste à exploiter le degré de liberté de spin d'atomes naturels implantés dans le silicium. Afin de transférer une information cohérente entre plusieurs qubits éloignés, il a été proposé de créer des bus de spin dans du silicium à partir d'atomes artificiels appelés boites quantiques contrôlés par des grilles électrostatiques.

Ce projet propose d'étudier le couplage cohérent entre un atome donneur unique et une boite quantique au sein d’un dispositif nanométrique en silicium, ce qui constitue l'unité élémentaire pour la constitution d'un bus de spin.

Dans un premier temps, nous allons développer une nouvelle technique pour déterminer l'état de spin d'un seul donneur, fondée sur une conversion spin-charge induite par des transitions optiques excitoniques et détectée par mesure électrique. Cette méthode présente plusieurs avantages tels qu’une gamme de température de fonctionnement montant jusqu’à 4K et l'utilisation d'un champ magnétique faible. Elle a déjà été utilisée avec succès sur des assemblée mais jamais encore sur un donneur unique.

Puis, une fois cette méthode en place, nous l’exploiterons afin de réaliser l'objectif global de ce projet. En particulier, en travaillant sur des dispositifs identifiés comme présentant un fort couplage entre une boite quantique et un donneur, nous étudierons la manipulation et le transfert d’une information cohérente de spin entre ces deux objets.

L'expérience se décomposera en trois étapes. Une première phase de manipulation de l'information de spin à l’aide d’une excitation par micro-ondes pour créer des superpositions d'états. Puis, le transfert de l’information depuis le donneur vers la boite quantique. Pour ce transfert nous allons employer deux méthodes, soit par transfert du spin par effet tunnel, il y a dans ce cas un déplacement net de la charge, soit par interaction d'échange, auquel cas les il n'y a aucun transfert de charge. Enfin, après un second transfert d'information, la dernière étape consiste en une mesure projective du spin portée par le donneur afin de vérifier si la cohérence a été préservée tout au long du processus. Cette ultime étape, au cœur de ce projet, utilisera la méthode de conversion spin-charge développée précédemment.

Pour finir, ce projet propose d’étudier des architectures plus complexes comprenant plusieurs donneurs et boites quantiques pour tester des transferts d’informations sur de plus longues distances et des échelles plus importantes.