Circuits quantiques supraconducteurs à base de graphène

par Guilliam Butseraen

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de François Lefloch et de Julien Renard.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 31-10-2018 .


  • Résumé

    Le contrôle des états quantiques permet d'envisager des dispositifs qui vont révolutionner les technologies de l'information et de la communication. Plusieurs démonstrations d'une des briques de base de tels dispositifs, le bit quantique (Qubit), ont été réalisées. Les approches basées sur l'utilisation de supraconducteurs permettent de produire des Qubits performants dans des architectures avancées. Néanmoins ils présentent le défaut de devoir être contrôlés par des champs magnétiques, ce qui n'est pas un standard pour l'industrie et pose déjà des problèmes pour des circuits de taille grandissante. Les approches basées sur des semiconducteurs rendent possible la réalisation de Qubits contrôlables par des champs électriques. Ils sont prometteurs pour l'intégration à large échelle du fait de leur compatibilité avec les technologies de la microélectronique. Néanmoins, ils devront être co-intégrés avec des résonateurs supraconducteurs, la seule solution viable pour la lecture rapide d'un état quantique. Pour réconcilier ces deux approches, le but de cette thèse est l'intégration d'un semiconducteur, le graphène, dans l'élément clé des Qubits supraconducteurs, la jonction Josephson, un lien faible entre deux électrodes supraconductrices. Ceci créera un élement Josephson contrôlable par un champ électrique. Les circuits quantiques basés sur cet élément gagneront un contrôle électrique, une avancée majeure pour l'intégration future. Des éléments clés pour les téchnologies quantiques seront ainsi démontrés dans ce projet : un Qubit contrôlable électriquement, un amplificateur paramétrique Josephson à la limite quantique pompé électriquement ainsi qu'un coupleur entre Qubits adressable électriquement, ce qui sera une étape majeure en vue d'une intégration à grande échelle. Le graphène qui peut maintenant être crû à l'échelle du wafer en gardant d'excellentes propriétés électroniques, a une épaisseur de seulement un atome, et peut être combiné avec les technologies dominantes de la microélectronique en utilisant les techniques de transfert récemment développées. C'est un atout fondamental pour les développements futurs et un avantage marqué en comparaison des technologies concurrentes basées sur des nanofils semiconducteurs.

  • Titre traduit

    Graphene-based superconducting quantum circuits


  • Résumé

    Devices based on the control of quantum states will revolutionize information and communications technologies. Several implementations of the quantum bit (Qubit), i.e. the building block for systems targeting quantum-enabled functionalities, were already demonstrated. Approaches based on all-superconducting materials provide the most advanced solid-state platform to date but one of their drawbacks is that they must rely on magnetic effects for control and operation, which is not an industry standard for devices and starts already to be an issue in large scale circuits. On the other hand, approaches fully based on semiconductors provide spin Qubits with long coherence times that are electrically tunable and addressable. They are very promising for large scale integration because they are based on mainstream industry technologies. But fast quantum state readout will require their co-integration with superconducting resonators. To bridge the gap between these two approaches, the goal of the PhD project is the integration of a gapless two-dimensional semiconductor, graphene, in the key element of superconducting quantum circuits: the Josephson junction, a weak link between two superconducting electrodes. It will create an electrically tunable Josephson element. The resulting quantum circuits will gain electrical tunability, a breakthrough for control and future integration. Several pivotal elements of quantum technologies will be demonstrated during the project: an electrically tunable Qubit, an electrically pumped quantum limited Josephson parametric amplifier and an electrically controlled coupler between Qubits that will be a major step for future scaling. Graphene, which can now be grown on wafer scale while maintaining high electron mobilities, is only one atom thick and can be combined in a simple manner with mainstream technologies by using recently developed transfer techniques. This is a fundamental asset for future developments and a clear advantage compared to competing technologies based on semiconductor nanowires.