Architectures quantiques extensibles à base de dopants dans le silicium

 

Eva Dupont-Ferrier

Université de Sherbrooke

 

Domaine : nature et interactions de la matière

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2019-2020

De nombreux systèmes quantiques ont été explorés dans le contexte de l'information et la communication quantique. Chacun de ces systèmes est connu pour ses propriétés et avantages spécifiques. Par exemple, les circuits supraconducteurs permettent une manipulation facile de l'information quantique, les spins de dopants peuvent conserver l'information pendant des temps records (grâce à leur excellente cohérence), les photons peuvent transporter l'information quantique sur de longues distances. Les systèmes hybrides émergents permettent de combiner les propriétés quantiques uniques de ces différents systèmes quantiques, pour tirer parti de leurs forces spécifiques.

Dans ce projet, je propose d'utiliser des spins de dopants dans le silicium comme mémoire quantique et de les coupler à des circuits supraconducteurs, capables de transporter l'information quantique sur de longues distances sans induire de perte. Pour qu'un tel système hybride soit efficace, il faut pouvoir transférer l'information quantique entre le spin du dopant et le résonateur supraconducteur plus rapidement que la décohérence de chacun des deux systèmes. Bien que cette approche soit simple en théorie, ce régime n'a pas encore été atteint expérimentalement en raison du faible couplage induit par le petit moment magnétique du spin électronique. Les réalisations expérimentales se limitent actuellement à des ensembles de spins de dopants afin d'améliorer le couplage. Mais l'utilisation d'un ensemble de spins s'accompagne d'un élargissement inhomogène qui réduit considérablement la cohérence. Le couplage au spin d'un seul dopant constituerait donc un pas important vers des processeurs quantiques hybrides extensibles. Notre stratégie est de réaliser un couplage fort entre un seul spin et un circuit supraconducteur en tirant parti des transistors optimisés par l'industrie microélectronique depuis des décennies. Ce dispositif permettra de contrôler électriquement un seul dopant implanté dans le canal et de maximiser le couplage magnétique à une grille supraconductrice située juste au-dessus du dopant.

En outre, dans de tels dispositifs, les dopants peuvent non seulement être utilisés comme mémoire quantique pour stocker l'information grâce au long temps de cohérence des spins électronique et nucléaire, mais ils peuvent aussi potentiellement servir de noeud quantique : le spin électronique du dopant peut être couplé à des photons dans des circuits supraconducteurs mais aussi à d'autres degrés de liberté quantiques, comme le photon optique ou le spin nucléaire du dopant, établissant ainsi un lien entre ces systèmes quantiques, qui sont autrement difficiles à coupler.

Ce projet tire donc partie d'un défi majeur auquel l'industrie des semi-conducteurs doit faire face aujourd'hui : la fin de la loi de Moore. La réduction constante de la taille des transistors implique que les effets quantiques et la position des dopants individuels deviennent importants, ce qui empêche de réduire davantage la taille des transistors. L'utilisation de transistors à la pointe de la technologie, où les dopants sont implantés intentionnellement dans le canal, représente une approche innovante, "au-delà du CMOS", où les transistors n'ont plus un principe de fonctionnement classique mais deviennent des transistors à atome unique, c'est-à-dire des dispositifs quantiques donnant à l'industrie microélectronique accès à la puissance.