Charge control in semiconductor quantum-dot arrays and prospects for large-scale integration

Autor: Chanrion, Emmanuel
Přispěvatelé: Institut Néel (NEEL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Université Grenoble Alpes [2020-....], Tristan Meunier, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY008⟩
Popis: The second quantum revolution is underway with the promise of harnessing the full potential of quantum mechanics to develop new technologies. Among these innovations, the field of quantum information theory proposes a new paradigm to perform computation, outside of the classical computing framework based on 0/1 bit of information. Quantum computing offers a way to solve physics and computational problems that cannot be solved in reasonable time by classical computers by introducing quantum-bits (qubits) and quantum logic gates. However, quantum computers are prone to errors, requiring them to encode information from a single logical into multiple physical qubits. Thus, a universal quantum computer outperforming today’s supercomputers involves the control of millions of qubits, far from the dozens of qubits in current systems. In this context, spin qubits in quantum-dot (QD) arrays are a good candidate thanks to their compatibility with standard semiconductor manufacturing.In this thesis, we focus on the charge control of electrons inside arrays of quantum-dots. On the one hand, we demonstrate remote charge sensing in a CMOS nanowire, using an embedded single-lead quantum-dot (SLQD) electrometer. A unique electrode operates each QD, and the device is fabricated on a silicon-on-insulator 300-mm industry-standard fabrication line. We develop different detection schemes to compensate for the device’s strong capacitive couplings due to its dense packing. Consequently, we control the different double quantum-dots in a 2x2 QD array and probe the Coulomb disorder inside the structure.On the other hand, we demonstrate a scalable QD array formed by shared control gates with row/column addressing in a GaAs/AlGaAs heterostructure. Like classical integrated circuits, large-scale quantum-dot arrays must rely on shared controls to reduce the number of interconnects to √N, with N the number of QDs. Here, we show the charge control of electrons in a scalable 2x2 QD array isolated from the reservoirs. We characterize the array using the constant interaction model and assess its scalability. To conclude, these two experiments path the way towards charge controls in large-scale semiconductor QD arrays.
La seconde révolution quantique est en cours et porte la promesse d'exploiter tout le potentiel de la mécanique quantique afin de développer de nouvelles technologies. Parmi ces innovations, le domaine de l'information quantique propose un nouveau paradigme de calcul, en dehors de l’ordinateur classique basé des bits d'information 0 ou 1. L'informatique quantique offre un moyen de résoudre des problèmes de physique et de calcul qui ne peuvent pas être résolus en un temps raisonnable par les ordinateurs classiques en introduisant des bits quantiques (qubits) et des portes logiques quantiques. Cependant, les ordinateurs quantiques sont sujets à des erreurs, ce qui les oblige à encoder l’information d'un qubit logique dans plusieurs qubits physiques. Ainsi, un ordinateur quantique universel surpassant les meilleurs supercalculateurs actuels implique le contrôle de millions de qubits, loin des dizaines de qubits des systèmes actuels. Dans ce contexte, les qubits de spin dans des tableaux de boîtes quantiques (BQ) sont un bon candidat grâce à leur compatibilité avec les processus de fabrication de l’industrie des semi-conducteurs.Dans cette thèse, nous développons la manipulation d’électrons à l'intérieur de réseaux de boîtes quantiques. D'une part, nous démontrons la détection de charge dans un nanofil CMOS à l'aide d'un électromètre intégré avec une boîte quantique reliée à un réservoir. Une unique électrode contrôle chaque BQ, et le dispositif est fabriqué sur une ligne de fabrication industriel. Nous développons différents schémas de détection pour compenser les forts couplages capacitifs du système, en raison de sa petite taille. Cela nous permet de contrôler les différents doubles boîtes quantiques dans un tableau 2x2 BQ et de sonder le désordre coulombien à l'intérieur de la structure.D'autre part, nous réalisons un tableau de BQ formé par des grilles de contrôles partagées avec un adressage ligne / colonne dans une hétérostructure GaAs / AlGaAs. Comme dans les circuits intégrés classiques, les réseaux de boîtes quantiques à grande échelle doivent s'appuyer sur des contrôles partagés pour réduire le nombre d'interconnexions à √N, avec N le nombre de BQ. Ici, nous montrons le contrôle d’électrons dans un tableau de 2x2 BQ isolé des réservoirs. Nous caractérisons le tableau à l'aide du modèle d'interaction constante et évaluons son évolutivité. Pour conclure, ces deux expériences mènent à contrôler la charge dans des matrices de BQ en semi-conducteurs à grande échelle.
Databáze: OpenAIRE
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