La mise en œuvre de bits quantiques en silicium nécessite des opérations à basses températures afin de préserver au maximum leur état quantique. Qu'en est-il de leur électronique de contrôle ? Le fonctionnement de ces composants à température ambiante limite de manière importante la vitesse du traitement des signaux. Il faut donc rapprocher le plus possible l'électronique de contrôle du dispositif quantique et la refroidir aussi.

Les chercheurs grenoblois apportent la preuve de concept d'une telle électronique CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) cryogénique, connectée avec des boîtes quantiques silicium, qui, élaborées avec la même technologie, forment les briques élémentaires des bits quantiques en silicium.

Ils ont intégré sur un même substrat FD-SOI des boîtes quantiques et un convertisseur courant-tension (amplificateur à transimpédance ou TIA) CMOS, capable de détecter le faible courant associé au passage d'électrons uniques (picoampères, 10^-12 A) à travers les boîtes quantiques.

Le circuit du TIA fonctionne à 10 mK, avec seulement 1 μW de consommation électrique, ce qui permet d'éviter l'échauffement du cryostat. Il présente une réponse linéaire jusqu'à ± 40 nA avec une bande passante de 2,6 kHz qui pourrait être étendue à environ 200 kHz en optimisant sa conception.

Dans une version plus complète, la puce intègrera d'autres fonctions analogiques et numériques (multiplexeur, tampon, amplificateur de signal, oscillateur, convertisseur de niveau) pour des mesures de courant avec une excitation dans le domaine du GHz.

Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à une électronique cryogénique dédiée en technologie FD-SOI afin d'améliorer le contrôle et la détection des états quantiques (qubits) dans un cryostat à très basses températures.