Anharmonicité et contrôle en grille d'un circuit quantique supraconducteur à base de graphène

Anharmonicity and gate tunability in a graphene-based superconducting quantum circuit

• Auteur / Autrice : Nicolas Aparicio da Silva
• Direction : Johann Coraux, Julien Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 07/02/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Favero, Hélène Bouchiat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Landry Bretheau, Preden Roulleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électroniques

Supraconductivité

Josephson, Jonctions

Graphène

Bits quantiques

Mots clés libres

Qubit

Graphène

Circuits quantiques

Qubit

Graphene

Quantum circuits

Résumé

La jonction Josephson à effet tunnel consiste en une fine barrière isolante insérée entre deux électrodes supraconductrices, où les paires de Cooper peuvent passer d'une électrode à l'autre avec une très faible probabilité de transmission. Cet élément sert de source commune et nécessaire de non-linéarité dans les circuits quantiques supraconducteurs, permettant la mise en œuvre de bits quantiques supraconducteurs (qubit) et de circuits amplificateurs supraconducteurs : deux éléments constitutifs de l'informatique quantique. La fabrication de ces jonctions ne permet aucun contrôle in-situ, leur comportement étant fixé par leur géométrie. Il est courant d'intégrer au moins deux jonctions dans une boucle supraconductrice pour former un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), dont la phase de la fonction d'onde macroscopique supraconductrice peut être modifiée par l'application d'un champ magnétique externe. Cela permet de récupérer un certain contrôle sur un degré de liberté quantique, en accordant l'énergie du SQUID en fonction de la phase. L'intégration d'un SQUID dans un qubit supraconducteur permet finalement d'accorder sa fréquence de transition. Au cours de la dernière décennie, de nouvelles architectures de circuits quantiques supraconducteurs sont apparues, où la jonction Josephson tunnel standard est remplacée par une jonction supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS). Cette jonction bénéficie des propriétés normales du matériau, qui peut être un semi-conducteur ou un semi-métal, et dont la densité d'états peut être contrôlée par l'application d'un champ électrique externe. Par conséquent, l'énergie d'une seule jonction peut être réglée sans dépendre d'un champ magnétique, une solution qui peut se heurter à des problèmes d'extensibilité. Actuellement, des qubits supraconducteurs avec un nanofil d'InAs, un gaz électronique 2D (2DEG) et du graphène (avec des temps de cohérence faibles) ont été démontrés.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation du graphène, un semi-métal de van der Waals 2D encapsulé dans du h-BN (pour le protéger de son environnement), en tant que jonction SNS accordable par une grille. La jonction Josephson en graphène est intégrée dans un qubit supraconducteur, où l'énergie de Fermi du graphène est contrôlée par l'utilisation d'une électrode de grille, sur laquelle une tension est appliquée. La grille a deux effets : elle modifie le nombre de canaux de conduction à l'intérieur du graphène, ainsi que leurs probabilités de transmission (ou transparences). Le temps de relaxation est mesuré entre 300 et 800 ns, soit un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art actuel en matière de qubits basés sur le graphène. Nous mesurons un grand contrôle de la fréquence de transition du qubit (plusieurs GHz). Surprenament, l'anharmonicité dépend fortement de la tension de grille avec de grandes oscillations dans le régime dopé $p$ du graphène. Basée sur un modèle analytique de contact quantique supraconducteur, que nous avons résolu numériquement, notre analyse suggère que d'importantes fluctuations mésoscopiques de transparence se produisent dans nos dispositifs, avec des valeurs allant de 0,2 à 1, une indication d'une jonction Josephson en graphène de haute qualité. Le modèle, valable pour n'importe quel régime, démontre l'effet important de la transparence sur le spectre du qubit. La dispersion de charge (c'est-à-dire la sensibilité du qubit au bruit de charge) diminue également avec l'énergie Josephson, mais aussi avec la transparence. En particulier, en cas de transparence parfaite, la dispersion de charge devrait totalement disparaître, ce qui est hautement souhaitable pour des qubits plus résistants au bruit de charge. Nous démontrons que la dispersion de charge est effectivement plus petite que celle attendue pour un qubit supraconducteur basé sur une jonction tunnel fonctionnant dans le même régime, jusqu'à un facteur 2, avec une transparence déduite allant de 0,6 à 0,8.

The tunnel Josephson junction consists in a thin insulating barrier inserted between two superconducting electrodes, where Cooper pairs can tunnel from one electrode to the other, with a very low transmission probability. This element serves as the common and required source of non-linearity in superconducting quantum circuits, enabling the implementation of superconducting quantum bit (qubit) and superconducting amplifier circuits: two building blocks of quantum computing. The fabrication of such junctions does not allows for any in-situ control, in which their behaviour is fixed by their geometry. It is common to embbed at least two junctions in a superconducting loop to form a superconducting quantum interference device (SQUID), whose superconducting macroscopic wave function phase can be modified by applying an external magnetic field. Doing so allows one to recover some control on a quantum degree of freedom, by tuning the phase-dependent energy of the SQUID. Integrating a SQUID in a superconducting qubit eventually makes its transition frequency tunable. In the last decade, new architectures of superconducting quantum circuits have emerged, where the standard tunnel Josephson junction is replaced by a superconductor-normal-superconductor (SNS) junction. This junction benefits from the normal material properties, which can be a semiconductor or a semimetal, and whose density of states can be controlled by applying an external electric field. Consequently, the energy of a single junction can be tuned without relying on a magnetic field, a solution which may face scalability issues. Currently, superconducting qubits with an InAs nanowire, a 2D electron-gas (2DEG), and graphene (with low coherence times) have been demonstrated.In this PhD work, we investigate the use of graphene, a 2D van der Waals semimetal encapsulated between h-BN (to protect it from its environment), as a gate-tunable SNS junction. The graphene Josephson junction is integrated in a standard superconducting qubit design, where the Fermi energy of graphene is controlled by the use of a gate electrode, on which a voltage is applied. The gate has two effects: it changes the number of conduction channels within the graphene sheet, as well as their transmission probabilities (or transparencies). The relaxation time is measured between 300 and 800 ns, one order of magnitude above the current graphene based-qubit state-of-the-art.We measure a large tunability of the qubit transition frequency (several GHz). Surprinsingly, the anharmonicity higly depends on the gate voltage with large oscillations in the hole-doped regime of graphene. Based on a superconducting quantum point contact analytical model, which we solved numerically, our analysis suggests that large mesoscopic fluctuations of transparency occur in our devices, with values ranging from 0.2 to 1, an indication of a high quality graphene Josephson junction. The model, valid for any regime, actually demonstrates the important effect of the transparency on the qubit spectrum. The charge dispersion (i.e. the qubit sensitivity to charge noise) is similarly reduced with the Josephson energy but also with the transparency. In particular, at perfect transparency, the charge dispersion is expected to vanish, which is highly desirable for qubits more resilient against charge noise. We demonstrate that the charge dispersion is indeed smaller than the one expected for a tunnel junction-based superconducting qubit operating in the same regime, by up to a factor 2, with an inferred transparency ranging from 0.6 to 0.8.