Thèse Transitions d'État Induites par la Mesure dans des Systèmes Hybrides de Cqed avec Spins H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Modélisation et Exploration des Matériaux
Direction de la thèse : Michele FILIPPONE ORCID 0000000311028335
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59

Cette thèse vise à étudier, sur les plans théorique et expérimental, la lecture (readout) de qubits de spin à l'aide de résonateurs supraconducteurs. Des expériences récentes menées au CEA Grenoble ont démontré un couplage fort entre un spin de trou confiné dans un point quantique de nanofil de silicium et un photon micro-onde confiné dans un résonateur supraconducteur. Cette démonstration étend les expériences d'électrodynamique quantique en circuit (cQED) aux qubits de spin de trous, qui constituent des systèmes prototypes à deux niveaux.

Étant donné que le résonateur et le qubit sont couplés, l'inférence de l'état du résonateur permet de mesurer l'état de spin. La vitesse et la fidélité de la lecture du qubit augmentent avec la puissance d'excitation appliquée pour sonder l'état du résonateur. Dans les plateformes cQED traditionnelles utilisant des qubits supraconducteurs, la lecture est limitée par des transitions vers des états excités (fuites), également appelées transitions d'état induites par la mesure (MIST), lorsque des puissances d'excitation élevées sont utilisées. Comme le spin de trou est un système presque parfaitement à deux niveaux, il est supposé être plus résilient à la dégradation de la lecture à forte puissance d'excitation.

Afin de le démontrer, une généralisation d'une approche semi-classique de Floquet récente sera développée afin de décrire la lecture en régime de forte excitation. Cette approche sera comparée à des simulations numériques exactes, et deux régimes seront étudiés : i) la lecture dispersive, dans laquelle le résonateur est excité, et ii) la lecture longitudinale, dans laquelle le qubit est excité. Cette dernière est supposée être plus rapide, mais n'a jamais été mise en oeuvre dans des architectures cQED à base de qubits de spin.

Cette analyse théorique sera appliquée à des mesures de lecture réalisées sur des dispositifs spin-cQED au CEA Grenoble. Basés sur une technologie flip-chip récemment développée, ces dispositifs sont en principe capables d'effectuer des mesures rapides de spin. Les données expérimentales seront comparées aux prédictions théoriques pour la lecture de spin à différentes puissances d'excitation. La discrimination rapide de l'état de spin qui en résulte est essentielle pour des applications telles que la détection quantique, la simulation et le calcul quantiques.

L'amélioration et l'accélération de la lecture des qubits constituent un enjeu clé pour le développement des architectures quantiques. Dans le contexte de l'électrodynamique quantique en circuit (cQED), les mesures rapides de l'état d'un qubit reposent sur la lecture dispersive : les deux niveaux les plus bas d'un atome artificiel supraconducteur échangent des excitations virtuelles avec un résonateur micro-onde désaccordé, permettant des mesures non destructives quantiques (QND). La vitesse et la fidélité de la lecture dispersive augmentent avec la puissance appliquée au résonateur, mais elles sont limitées par des fuites vers des états fortement excités, connues sous le nom de transitions d'état induites par la mesure (MIST).

Des expériences récentes menées au CEA Grenoble ont démontré un couplage fort entre un spin de trou confiné dans un point quantique de nanofil de silicium et un photon micro-onde confiné dans un résonateur supraconducteur. Ce couplage fort s'explique par le fait que les trous confinés dans le silicium sont soumis à un fort couplage spin-orbite. Il est rendu possible par la délocalisation d'une charge dans un double point quantique soumis à une interaction spin-orbite importante, réalisant ainsi un qubit de spin de type « flopping-mode ». Le groupe du CEA a également montré récemment que ces qubits sont cohérents et peuvent être manipulés avec une grande fidélité dans des architectures spin-cQED. Le plein potentiel de ces plateformes reste toutefois à explorer. La thèse vise à s'appuyer sur ces résultats afin de démontrer de manière claire que la cQED avec des spins de trous constitue une voie pertinente pour réaliser des mesures rapides et contrôlées de spin.

La motivation principale de ce projet réside dans le fait que le résonateur est couplé à un système proche d'un système idéal à deux niveaux. Un trou piégé dans un double point quantique présente deux états de charge, très éloignés en énergie (>20 GHz). Leur dégénérescence de spin est levée par un champ magnétique B et légèrement modifiée par le couplage spin-orbite, qui confère une composante de charge au spin. Du fait de la grande séparation énergétique des états de charge, les fuites vers des états fortement excités devraient constituer un problème beaucoup moins critique dans les plateformes spin-cQED.

D'un point de vue plus technique, il est bien établi que la lecture dispersive QND d'un qubit peut être réalisée en cQED tant que le nombre de photons dans la cavité, contrôlé par la puissance d'excitation, reste inférieur à un nombre critique. Lorsque ce seuil est dépassé, le résonateur s'hybride fortement avec le qubit et le système ne peut plus être décrit dans l'approximation dispersive. De plus, les systèmes supraconducteurs présentent souvent une dégradation de la lecture due aux MIST pour des valeurs bien inférieures à ce seuil critique. La description de l'ionisation associée dans les qubits de type transmon demeure un défi ouvert pour la théorie des systèmes quantiques ouverts hors équilibre.

La thèse vise à démontrer expérimentalement que les plateformes spin-cQED peuvent supporter des nombres de photons plus élevés, plus proches du seuil critique, permettant ainsi des mesures plus rapides. Pour ce faire, elle s'appuiera sur des dispositifs hybrides spin-cQED développés au CEA, actuellement élaborés par une équipe dédiée comprenant des ingénieurs et un post-doctorant.

Une voie alternative vers une lecture plus rapide repose sur le mécanisme de couplage longitudinal. En excitant le qubit à la fréquence du résonateur, il est possible de contrôler de manière paramétrique une interaction longitudinale effective entre le spin et le résonateur. Ce couplage agit comme une force dépendant de l'état de spin sur le résonateur et présente la propriété remarquable de générer des trajectoires du champ du résonateur qui se séparent à des temps très courts, conduisant ainsi à une lecture plus rapide. Cependant, ce protocole de lecture se dégrade également lorsque la population de photons approche la valeur critique. La thèse vise également à démontrer que les plateformes spin-cQED peuvent supporter des populations de photons plus élevées dans ce régime.

La thèse a pour objectif de développer un cadre théorique permettant de décrire ces dispositifs. La physique de la lecture quantique sous forte excitation, lorsque la population de photons approche la valeur critique, constitue un problème complexe de physique quantique à N corps hors équilibre, impliquant l'interaction de nombreux photons avec un système à deux niveaux. Les approches perturbatives deviennent alors inopérantes. La thèse développera des approches semi-classiques améliorées afin de décrire le régime de transition gouvernant la dégradation de la lecture QND. Des résultats préliminaires issus du groupe de Michele Filippone montrent la validité de cette approche pour des modèles de type Jaynes-Cummings et Rabi utilisés en cQED.

Au cours de la thèse, cette approche sera consolidée et étendue à des situations plus réalistes décrivant la plateforme expérimentale, en prenant notamment en compte la branche de charge supérieure du spectre du qubit ainsi que la présence de non-linéarités de type Kerr dans le résonateur.

La capacité à discriminer rapidement l'état quantique d'un qubit constitue un atout majeur pour les applications de la cQED, telles que la détection quantique, la simulation quantique et le calcul quantique corrigé d'erreurs. La démonstration que de telles mesures rapides en cQED peuvent être réalisées avec des qubits de spin avec une grande fidélité permettrait de faire émerger une nouvelle plateforme, compatible avec la technologie CMOS et potentiellement robuste face aux transitions d'état induites par la mesure (MIST).