Controlled quantum dot array segmentation and complete two-electron spin state readout - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Controlled quantum dot array segmentation and complete two-electron spin state readout

Segmentation d'une chaîne de boîtes quantiques et lecture complète d'un état de spin à deux électrons

Martin Nurizzo
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1260711
  • IdRef : 270100466

Résumé

Spin qubits in semiconductor quantum circuits have been identified as a compelling platform for large scale quantum computing. Today an ongoing effort of the community is aiming at the scaling of such systems by filling larger and larger arrays. In this context the development of tuning and readout protocols allowing to reduce the inherent complexity of such systems seems to be a necessity.In the first part of my thesis, I demonstrate array partitioning of a linear triple quantum dot defined in a AlGaAs/GaAs heterostructure via a highly tunable interdot tunnel coupling. This allows us to operate independently smaller sections of the array which reduces the number of available charge states for the system and therefore reduces its complexity during the tuning.The second part of my thesis is focused on reducing the hardware overhead necessary to extract information during the readout of the spin qubits. In semiconductor spin qubits, high fidelity read-out is obtained through Pauli spin blockade in a double quantum dot with two electrons probed by a local electrometer. One electron is the qubit, the second is the ancilla and only one bit of information is extracted. To obtain the full two-bit information of the two-electron spin states, more quantum hardware is necessary (either dots, electrometers, or reservoirs).Based on an original protocol, I develop in this thesis a complete single-shot read-out procedure for two-electron spin states in a double quantum dot discriminating between S, T0, T+ and T-. It uses successively three distinct spin-to-charge conversion protocols interleaved with charge configuration measurements. The strategy is based on four novel experimental achievements:First, the control from the GHz to sub-Hz regime of the interdot tunnel coupling at the nanosecond timescale.Second, the separation of the spin-to-charge conversion and the charge read-out in the voltage gate space.Third, the suppression of spin relaxation process during the read-out procedure.Finally, the repetition of three distinct spin-to-charge conversion protocols.The read-out procedure is tested on various initialized populations and implemented in more complex spin manipulation sequences to assess its validity.
Les qubits de spin stockés dans des boites quantiques de semi-conducteurs ont été identifiés comme une plate-forme possible pour l'informatique quantique à grande échelle.Aujourd'hui, un effort continu de la communauté vise à la mise à l'échelle de tels systèmes en remplissant des tableaux de plus en plus grands.Dans ce contexte, le développement de protocoles de réglage des paramètres et de lecture permettant de réduire la complexité inhérente de tels systèmes apparaît comme une nécessité.Dans la première partie de ma thèse, je démontre le partitionnement en réseau de trois boites quantiques couplées linéairement définies dans une hétérostructure AlGaAs/GaAs via un haut niveau de contrôle sur le couplage inter-boite quantique.Cela nous permet de faire fonctionner indépendamment des sections plus petites du réseau, ce qui réduit le nombre d'états de charge disponibles pour le système et réduit donc sa complexité lors de sa mise en opération.La deuxième partie de ma thèse porte sur la réduction de la surcharge matérielle nécessaire pour extraire des informations lors de la lecture des qubits de spin.Dans les qubits de spin à semi-conducteurs, une lecture haute fidélité est obtenue grâce au blocage de spin de Pauli dans une double boite quantique avec deux électrons sondés par un électromètre local.Un électron est le qubit, le second est l'ancilla et un seul bit d'information est extrait.Pour obtenir les informations complètes sur deux bits des états de spin à deux électrons, davantage de matériel quantique est nécessaire (soit des boites quantiques, des électromètres ou des réservoirs).Sur la base d'un protocole original, je développe dans cette thèse une procédure complète de lecture d'états de spin à deux électrons dans une boîte quantique double discriminant entre S, T_0, T_+ et T_- .Ce protocole utilise successivement trois manipulations et trois conversions spin vers charge entrelacés avec des mesures de configuration de charge.La stratégie repose sur quatre nouvelles réalisations expérimentales :Tout d'abord, le contrôle du régime GHz au régime sub-Hz du couplage tunnel inter-boites à l'échelle de la nanoseconde.Deuxièmement, la séparation de la conversion spin-charge et de la lecture de charge dans l'espace définti par les tensions de grilles de l'échantillon.Troisièmement, la suppression du processus de relaxation de spin pendant la procédure de lecture.Enfin, la répétition de trois protocoles de conversion spin-to-charge distincts.La procédure de lecture est testée sur diverses populations initialisées et mise en œuvre dans des séquences de manipulation de spin plus complexes pour évaluer sa validité.
Fichier principal
Vignette du fichier
NURIZZO_2023_archivage.pdf (40.93 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04122643 , version 1 (08-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04122643 , version 1

Citer

Martin Nurizzo. Controlled quantum dot array segmentation and complete two-electron spin state readout. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY006⟩. ⟨tel-04122643⟩

Collections

UGA CNRS NEEL STAR
79 Consultations
23 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More