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Thèse Année : 2021

Charge noise and spin in single-electron silicon CMOS quantum dots

Bruit de charge et spin dans des boites quantiques CMOS à électron unique

Cameron Spence
  • Fonction : Auteur

Résumé

The push towards a scalable quantum computer is entering a crucial phase, with several different solid-state qubit designs demonstrated as strong candidates for the basis of a future quantum computer.One such candidate is silicon-based quantum dot spin qubits, a relatively recent entry into the field but with potential for long coherence times and high-fidelity measurement and manipulation.Silicon also has a significant advantage in leveraging industrial expertise and compatibility with current semiconductor fabrication techniques to produce reliable, reproducible and scalable qubit designs.To develop a fully-functional quantum computer at scale, the individual qubit design should be compact with a low control overhead, and have minimal interaction with the environment to prevent loss of quantum information.One of the major environmental interactions experienced by quantum dots is the characteristic 1/f charge noise present in all electronic devices.Electric field fluctuations in the region of the quantum dot pose a significant challenge for single- and multi-qubit measurement, manipulation, and coherence in semiconductor spin qubits.In this thesis, we investigate and characterize the charge noise experienced by quantum dots in CMOS silicon nanowire devices.We use frequency-domain analysis to determine the variability in the charge noise experienced by a quantum dot due to its position within the nanowire and its interaction with different interfaces, finding typical charge noise values on the order of 10 ueV^2/Hz in the many-electron regime.We analyse the energy spectrum of charge noise fluctuators in the region of a typical quantum dot and identify two frequencies which dominate the charge noise in the temperature range of interest.We also demonstrate a novel technique of measuring the charge noise experienced by a single electron, a regime which is highly applicable to future qubit development, and extract the single-electron charge noise value of 130(60) ueV^2/Hz at a typical measurement temperature of 400 mK.The potential decoherence induced by this degree of charge noise is compared to the decoherence caused by the hyperfine field in natural silicon, and we find that the theoretical charge noise-limited T2* is more than two orders of magnitude longer than the nuclear spin limited T2*, underpinning the benefits of isotopic purificiation on the spin coherence time.Secondly, we demonstrate single-shot measurement of the spin of a single electron and characterization of the spin physics in a nanowire quantum dot.We demonstrate measurement of the spin-lattice relaxation time T1 with a state visibility greater than 90%.The spin-valley relaxation hotspot is detected via magnetic field spectroscopy, finding a valley splitting energy of 297 (5) ueV.Finally, we analyse the magnetic field anisotropy of the spin-valley mixing, demonstrating suppression of the relaxation mechanism by an order of magnitude in a field oriented along the main symmetry axis of the device.These experiments have developed our understanding of the noise environment and spin physics present in CMOS nanowire quantum dots, and form the foundations of in-depth characterization that can be applied at scale to direct future development of spin qubits in silicon.
La développement d'un ordinateur quantique évolutif entre dans une phase cruciale, avec plusieurs conceptions de qubit à semi-conducteurs différentes démontrées comme de solides candidats pour la base d'un futur ordinateur quantique.Un de ces candidats est le qubit de spin quantique à base de silicium, une entrée relativement récente dans le domaine mais avec un potentiel pour de longs temps de cohérence et une mesure et une manipulation haute fidélité.Le silicium a également un avantage significatif en tirant parti de l'expertise industrielle et de la compatibilité avec les techniques actuelles de fabrication de semi-conducteurs pour produire des conceptions de qubit fiables, reproductibles et évolutives.Pour développer un ordinateur quantique entièrement fonctionnel à grande échelle, la conception de qubit individuel doit être compacte avec une faible surcharge de contrôle et avoir une interaction minimale avec l'environnement pour éviter la perte d'informations quantiques.Une des principales interactions environnementales rencontrées par les boîtes quantiques est le bruit de charge caractéristique 1/f présent dans tous les appareils électroniques.Les fluctuations du champ électrique dans la région de la boîte quantique posent un défi important pour la mesure, la manipulation et la cohérence des qubits de spin à un ou plusieurs qubits.Dans cette thèse, nous étudions et caractérisons le bruit de charge ressenti par les boîtes quantiques dans les dispositifs à nanofils de silicium CMOS.Nous utilisons l'analyse du domaine fréquentiel afin de déterminer la variabilité du bruit de charge subi par un boîte quantique en raison de sa position dans le nanofil et de son interaction avec des différentes interfaces, en trouvant des valeurs de bruit de charge typiques de l'ordre de 10 ueV^2/Hz dans le régime à plusieurs électrons.Nous analysons le spectre d'énergie des fluctuations du bruit de charge dans la région d'un boîte quantique typique et identifions deux fréquences qui dominent le bruit de charge dans la plage de température d'intérêt.Nous démontrons également une nouvelle technique de mesure du bruit de charge subi par un seul électron, un régime qui est applicable au développement futur des qubits, et extrayons la valeur du bruit de charge à un électron de 130(60) ueV^2/Hz à une température de mesure typique de 400 mK.La décohérence potentielle induite par ce degré de bruit de charge est comparée à la décohérence provoquée par le champ hyperfin dans le silicium naturel, et on constate que la charge théorique limitée au bruit T2* est plus de deux ordres de grandeur plus longue que le nucléaire spin limité T2*, sous-tendant les avantages de la purification isotopique sur le temps de cohérence du spin.Deuxièmement, nous démontrons la mesure dans un seul coup du spin d'un seul électron et la caractérisation de la physique du spin dans un boîte quantique à nanofils.Nous démontrons la mesure du temps de relaxation spin-réseau T1 avec une visibilité d'état supérieure à 90%.Le point chaud de relaxation spin-vallée est détecté par spectroscopie de champ magnétique, trouvant une énergie de division de vallée de 297 (5) ueV.Enfin, nous analysons l'anisotropie du champ magnétique du mélange spin-vallée, démontrant la suppression du mécanisme de relaxation d'un ordre de grandeur dans un champ orienté le long de l'axe de symétrie principal du dispositif.Ces expériences ont développé notre compréhension de l'environnement sonore et de la physique du spin présents dans les boîtes quantiques de nanofils CMOS, et forment les fondations d'une caractérisation approfondie qui peut être appliquée à l'échelle pour diriger le développement futur des qubits de spin dans le silicium.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03566464 , version 1 (11-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03566464 , version 1

Citer

Cameron Spence. Charge noise and spin in single-electron silicon CMOS quantum dots. Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect [cond-mat.mes-hall]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. English. ⟨NNT : 2021GRALY054⟩. ⟨tel-03566464⟩

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