Towards Scalable Si and Ge Spin Qubit Architectures : Highlights from Modelling - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Towards Scalable Si and Ge Spin Qubit Architectures : Highlights from Modelling

Modélisation d'architectures de bits quantiques Si et Ge pour l'intégration à grande échelle

Biel Martinez Diaz
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1199669
  • IdRef : 266129358

Résumé

Quantum computers rely on quantum two-level systems as memory units, the so-called qubits, and it is their quantum character what brings unique attributes that should enable to solve unaffordable problems with nowadays best classical computers. To this end, millions of qubits are required, and consequently large-scale quantum architectures capable of hosting and individually controlling them. Many quantum two-level systems have been proposed as qubits. Superconducting circuits have taken the lead and platforms with tens of qubits are already available at present. However, its scalability beyond a few hundreds is challenging. In this respect, quantum-dot-based spin qubits are among the latest to join the race, yet they seem to gather most of the requirements of a an ideal quantum processor. Current experiments deal with a few spin qubits at most, and one of the issues they may encounter when scaling up is variability. Spin qubits are sensible to their electrical environment, and defects in the surrounding materials may scatter their properties and yield to processors made of very heterogeneous qubits.This thesis addresses the challenges that spin qubits may face in the near future both by understanding its impact and by proposing improved device candidates. We numerically quantify the variability for two of the most promising platforms for spin qubits: electrons and holes in Si MOS devices, and holes in Ge/SiGe heterostructures. We simulate their main sources of disorder, and discuss its repercussion on the realization of one- and two-qubit operations. We find that variability in Si MOS devices is a major challenge for scalability. We also evidence that variability, while smaller than for Si MOS, still shapes the properties of individual qubits in Ge/SiGe heterostructures, and propose a novel gate layout for Ge/SiGe-based processors that palliates its issues. Finally, we discuss how many-body interactions can reshape the physics of quantum dots, and how this must be accounted for in the design of spin qubit arrays.
Les ordinateurs quantiques utilisent des systèmes à deux niveaux comme unités de mémoire, les bits quantiques, et c'est leur caractère quantique ce que leur apportent des attributs uniques qui devraient permettre de résoudre des problèmes inabordables par les meilleurs ordinateurs classiques d'aujourd'hui. Pour que ce soit une réalité, des millions de qubits sont nécessaires, et par conséquent des architectures quantiques à grande échelle capables de les héberger et de les contrôler individuellement. De nombreux systèmes quantiques à deux niveaux ont été proposés comme bits quantiques. Les circuits supraconducteurs ont pris la tête et des plates-formes avec des dizaines de bits quantiques sont déjà disponibles. Cependant, sa croissance au-delà de quelques centaines présente des défis. À cet égard, les bits quantiques de spin basés sur des boîtes quantiques sont parmi les derniers à rejoindre la course, mais ils semblent rassembler la plupart des prérequis d'un processeur quantique idéal. Les expériences actuelles ont quelques qubits de spin au maximum, et l'un des problèmes qu'ils peuvent rencontrer lors de leur développement est la variabilité. Les qubits de spin sont sensibles à leur environnement électrique, et les défauts dans les matériaux environnants peuvent modifier leurs propriétés et laisser des processeurs très hétérogènes.Cette thèse aborde les défis auxquels les bits quantiques de spin pourraient faire face dans un proche avenir, à la fois en comprenant son impact et en proposant des dispositifs améliorés. Nous quantifions numériquement la variabilité pour deux des plates-formes les plus prometteuses pour les bits quantiques de spin: les électrons et les trous dans les dispositifs Si MOS, et les trous dans les hétérostructures Ge/SiGe. Nous simulons leurs principales sources de désordre, et discutons ses répercussions sur la réalisation des opérations à un et deux qubits. Nous constatons que la variabilité des appareils Si MOS est un gros défi pour l'extensibilité de cette plate-forme. Nous constatons également que la variabilité, bien que plus petite que pour Si MOS, modifient toujours les propriétés des qubits individuels dans les hétérostructures Ge/SiGe; et on propose un nouveau grillage pour les processeurs basés sur Ge/SiGe qui pallie ses problèmes. Enfin, nous discutons comment les interactions entre particules peuvent modifier la physique des boîtes quantiques, et comment cela doit être considéré dans la conception des systèmes de boîtes quantiques de spin.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03890652 , version 1 (08-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03890652 , version 1

Citer

Biel Martinez Diaz. Towards Scalable Si and Ge Spin Qubit Architectures : Highlights from Modelling. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALY051⟩. ⟨tel-03890652⟩
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