Cette thèse de doctorat traite de l’étude expérimentale de la dynamique de charge et de spin dans des réseaux quantiques à base de silicium, confinant des électrons ou des trous. Ces travaux ont été effectués en collaboration avec le CEA-LETI où les échantillons sont réalisés en utilisant une plateforme de fabrication de niveau industriel à partir de substrats SOI (Silicon-On-Insulator) de 300 mm. Dans la technologie employée, les boîtes quantiques sont confinées à l’intérieur de nanofils de Silicium gravés dans le SOI. La compatibilité de ces dispositifs quantiques avec les lignes de production de la microélectronique pourrait jouer un rôle clé dans le développement d’une plate-forme de calcul quantique à grande échelle basée sur des bit quantiques (qubits) semi-conducteurs. Dans cette perspective, le développement de schémas de lecture et de manipulation efficaces et compatibles avec le passage à l’échelle est une étape cruciale. Idéalement, on voudrait manipuler le spin d’un électron, ou d’un trou, par une simple modulation de la tension d’une grille, et de lire l’état de spin par une technique de réflectométrie à la radiofréquence, qui peut être réalisé en connectant une grille, ou un contacte Ohmic, à un résonateur LC. Une telle idée a a motivé plusieurs expériences effectuées dans le cadre de ce travail de thèse. Une première expérience a été réalisée avec un réseau de 2×3 boîtes quantiques de type n. Elle compare deux schémas de lecture basés sur la réflectométrie de grille. Le premier, basé sur un mécanisme de lecture dispersive, ne requiert aucune grille de contrôle additionnel, facilitant ainsi la mise à l’échelle de grands réseaux de qubit. Le deuxième, basé sur une lecture à détection de charge, ce qui comporte des grilles de contrôle additionnels. En revanche, ce deuxième schéma est moins sensible aux niveaux de couplage entre boîtes quantiques voisines. Comme montré dans cette thèse, il permet aussi la détection rapide de la charge, une condition nécessaire pour la lecture en mode « single-shot » des qubits. Concernant la manipulation de spin, j’ai pu mesurer des signatures de la résonance de spin d’électrons induites par une modulation de champs électrique. Cependant, cette interaction spin-orbit s’est révélé trop faible pour pour permettre l’observation des oscillations de Rabi. Les trous dans le Silicium possèdent un couplage spin-orbit intrinsèquement beaucoup plus fort que celui des électrons et sont mieux adaptés à une manipulation de spin par des champs électriques. Je présente une étude d’un dispositif à six grilles de type p, démontrant une lecture single-shot indépendante et simultanée des états de charge de deux boîtes quantiques définies par les deux grilles centrales. Une extension de la même technique de lecture est appliquée à un autre dispositif de type p à quatre grilles dans lequel nous avons pu démontrer le contrôle électrique cohérent d’un qubit basé sur un trou unique et des temps de cohérence proches de la centaine de microsecondes, largement au-delà de l’état de l’art. Dans le bût de minimiser le nombre de grilles de contrôle et lecture, nous avons démontré la possibilité de réaliser une brique élémentaire constituée par une double boîte quantique définie dans un dispositif de type p avec deux grilles. La première boîte joue le rôle du qubit de spin et la deuxième sert à la lecture du qubit par réflectométrie dispersive. Le schéma de lecture utilisé ne nécessite aucun couplage avec des réservoirs de Fermi, offrant ainsi une solution compacte et potentiellement compatible avec un passage à l’échelle. En conclusion, ce travail de thèse a été focalisé sur l’exploration de différentes solutions possibles pour la lecture de qubit de spin dans des dispositifs SOI à nanofil de Silicium contenant un réseau linéaire ou bilinéaire de boîtes quantiques. En particulier, je me suis intéressé à la problématique de rendre ces solutions compatibles avec une future intégration à large échelle.

Les personnes extérieures souhaitant assister à la soutenance doivent contacter : Silvano De Franceschi