Transport cohérent à longue distance de spin électroniques intriqués

par Baptiste Jadot

Thèse de doctorat en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Tristan Meunier.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) .


  • Résumé

    L'informatique quantique est in domaine d'intérêt croissant, notamment à Grenoble avec une concentration exceptionnelle de chercheurs et groupes industriels impliqués dans ce domaine. L'objectif global est de développer un nouveau type de nano-processeur, basé sur des propriétés quantiques. Son bloc élémentaire est un système quantique à deux niveaux (le qubit), dans notre cas le spin d'électrons piégés dans une boîte quantique. Dans la quête d'une architecture à large échelle, un ordinateur quantique en réseau offre un chemin naturel vers l'évolutivité. En effet, séparer le calcul dans des cœurs quantiques interconnectés par des médiateurs quantiques cohérents simplifierai grandement les contraintes d'adressabilité. Ces liens quantiques devraient offrir une connexion rapide et cohérente entre des cœurs arbitraires, permettant de créer un état intriqué utilisant tout le circuit quantique. Dans les circuits quantiques à base de semiconducteurs, l'intrication entre plus proches voisins a déjà été démontrée, et plusieurs méthodes ont été proposées pour réaliser un couplage à distance. Parmi elles, une implémentation possible de ce médiateur quantique consiste à préparer un état intriqué et transférer individuellement des spins électroniques à travers la structure, à condition que ce transfert préserve l'intrication. Dans cette thèse, nous démontrons le transfert rapide et cohérent de qubits de spin électronique à travers un long canal de 6.5 μm, dans une hétérostructure GaAs/AlGaAs. En utilisant le potentiel se propageant avec par une onde acoustique de surface, nous transférons séquentiellement deux spins électroniques formant initialement un état singulet. Durant le déplacement, chaque spin subit une rotation cohérente due à l'interaction spin-orbite, sur une durée plus courte que tout processus de décohérence. En variant le temps de séparation des électrons et le champ magnétique appliqué, nous observons des interférences quantiques qui prouvent la nature cohérente de l'état initial et de la procédure de transfert. Nous montrons que cette expérience est analogue à une mesure de Bell, et nous permet de quantifier l'intrication entre les deux spins électroniques lorsqu'ils sont séparés, démontrant que ce déplacement rapide et à longue portée est une procédure efficace pour propager une intrication quantique au sein des futures structures à large échelle.

  • Titre traduit

    Coherent long-range transport of entangled electron spins


  • Résumé

    Quantum computing is a field of growing interest, especially in Grenoble with an exceptional concentration of both research and industrials groups implicated in this field. The global aim is to develop a new kind of nano-processors, based on quantum properties. Its building brick is a two-level quantum system, in our case the spin of electrons trapped in a quantum dot. In this quest for a large-scale architecture, networked quantum computers offer a natural path towards scalability. Indeed, separating the computational task among quantum core units interconnected via a coherent quantum mediator would greatly simplify the addressability challenges. These quantum links should be able to coherently couple arbitrary nodes on fast timescales, in order to share entanglement across the whole quantum circuit. In semiconductor quantum circuits, nearest neighbor entanglement has already been demonstrated, and several schemes exist to realize long-range coupling. Among them, a possible implementation of this quantum mediator would be to prepare an entangled state and shuttle individual electron spins across the structure, provided that this transport preserves the entanglement. In this work, we demonstrate the fast and coherent transport of electron spin qubits across a 6.5 μm long channel, in a GaAs/AlGaAs laterally defined nanostructure. Using the moving potential induced by a propagating surface acoustic wave, we send sequentially two electron spins initially prepared in a spin singlet state. During its displacement, each spin experiences a coherent rotation due to spin-orbit interaction, over timescales shorter than any decoherence process. By varying the electron separation time and the external magnetic field, we observe quantum interferences which prove the coherent nature of both the initial spin state and the transfer procedure. We show that this experiment is analogous to a Bell measurement, allowing us to quantify the entanglement between the two electron spins when they are separated, and proving this fast and long-range qubit displacement is an efficient procedure to share entanglement across future large-scale structures.