Thèse Architectures de Grille Tridimensionnelles pour des Qubits de Spin en Germanium H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS
Direction de la thèse : Silvano DE FRANCESCHI ORCID 0000000213479693
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59

Ce projet de doctorat vise à développer une architecture évolutive de qubits de spin semi-conducteurs basée sur des boîtes quantiques en germanium (Ge), afin de répondre à l'un des principaux défis de l'informatique quantique : l'intégration d'un grand nombre de qubits contrôlables. Les qubits de spin semi-conducteurs constituent une approche prometteuse en raison de leur compatibilité avec les techniques avancées de nanofabrication et de leur potentiel d'intégration à grande échelle [1-2]. Parmi ces plateformes, les qubits de spin de trous dans des hétérostructures de germanium ont récemment connu des avancées rapides, avec des démonstrations de contrôle à haute fidélité et de dispositifs multi-qubits [3-8].

Malgré ces progrès, les architectures actuelles reposent sur des géométries de grilles planaires, dans lesquelles toutes les électrodes de contrôle sont fabriquées à la surface du semi-conducteur. Cette approche conduit à une complexité croissante du câblage et à une augmentation de l'empreinte des dispositifs lorsque le nombre de qubits augmente, limitant la réalisation de réseaux bidimensionnels denses. Lever ce verrou constitue une étape essentielle pour la mise à l'échelle des processeurs quantiques semi-conducteurs.

Le projet propose une architecture alternative dans laquelle les boîtes quantiques sont définies et contrôlées à l'aide de grilles pénétrant verticalement, déplaçant une partie du contrôle dans la troisième dimension. Cette approche permet de réduire la complexité du câblage et l'empreinte des dispositifs, tout en améliorant potentiellement le contrôle électrostatique. Sa mise en oeuvre repose sur des techniques avancées de nanofabrication, notamment la gravure et le dépôt couche atomique, rendues possibles par l'acquisition récente d'une plateforme de procédés atomiques. Cet outil permet une fabrication à faible dommage de structures de grille tridimensionnelles complexes, ouvrant l'accès à des géométries difficiles à obtenir par des procédés planaires conventionnels.

Le travail de thèse combinera nanofabrication et caractérisation à basse température de dispositifs quantiques. Dans une première phase, l'étudiant développera les procédés de fabrication nécessaires et réalisera des doubles boîtes quantiques fonctionnelles. Dans une seconde phase, ces dispositifs seront caractérisés à très basse température afin d'étudier le confinement de charge et les propriétés de spin, incluant le contrôle d'un qubit et l'interaction d'échange entre qubits voisins. Enfin, la scalabilité de l'architecture sera explorée à travers la réalisation et la mesure de réseaux de qubits de plus grande taille compatibles avec une intégration bidimensionnelle.

Au-delà de la démonstration de dispositifs, ce projet apportera de nouvelles approches de nanofabrication pour les dispositifs quantiques semi-conducteurs et fournira des éléments quantitatifs sur les performances et les limitations des architectures tridimensionnelles. En s'attaquant aux verrous liés au câblage et à la mise à l'échelle, ce travail vise à ouvrir une voie vers des processeurs quantiques denses et évolutifs basés sur des qubits de spin en germanium.

Le développement de processeurs quantiques à grand nombre de qubits constitue un défi majeur. Les qubits de spin en semi-conducteurs, compatibles avec les technologies de microélectronique, offrent une voie prometteuse vers l'intégration à grande échelle. Les qubits de spin de trous en germanium ont récemment montré des performances élevées. Toutefois, leur mise à l'échelle est limitée par les architectures planaires, notamment en raison de contraintes de câblage et de complexité.

Le projet repose sur le développement d'une architecture de boîtes quantiques contrôlées par des grilles verticales. Il combine nanofabrication avancée (gravure et dépôt couche atomique) et caractérisation à basse température pour réaliser et étudier des dispositifs multi-qubits scalables en germanium.