Brevet FR3133689A1 — publié le 20230922

L’invention porte sur un procédé pour calibrer un système quantique de spin à deux niveaux, couplé à une cavité micro-onde par un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique, se trouvant sous la forme d’une double boîte quantique comportant une boîte gauche et une boite droite, soumis à une tension de polarisation, caractérisé par les étapes suivantes : régler la tension de polarisation (ε) à zéro volt, déterminer une fonction d’onde φ p de chacun des boites quantiques, calculer et/ou régler des constantes de couplage magnétique antisymétrique αas et symétrique αs, calculer et/ou régler la constante de couplage tunnel, et/ou la constante de couplage magnétique symétrique αs et/ou la constante de couplage magnétique antisymétrique αas. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 PROCEDE DE CALIBRAGE ET/OU D’AIDE À LA CONCEPTION D’UN SYSTEME QUANTIQUE A DEUX NIVEAUX OU QUBIT DE SPIN ET COMPOSANT QUANTIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé d’aide à la conception et/ou un procédé de calibrage d’un qubit en vue de réaliser des calculs quantiques, par des composants quantiques. Le composant quantique est destiné notamment, mais non exclusivement, à la fabrication d’ordinateur quantique. ETAT DE LA TECHNIQUE Les qubits hébergés dans des semi-conducteurs ont récemment connu un grand intérêt pour le développement d'un ordinateur quantique à grande échelle. Cela vient du fait qu'ils ont démontré de bons temps de cohérence et une bonne fidélité de portes quantiques, permise notamment par un couplage via un résonateur micro-ondes, plus élevé qu'un couplage purement magnétique. On représente un bit quantique de spin, aussi appelé spin-qubit, notamment par un électron, dont le spin, vecteur propre d'un espace de dimension deux, encode l'information quantique Dans tous les systèmes quantiques, dont les qubit de spin, il est observé de la décohérence quantique lorsque le bit quantique interagit avec son au milieu extérieur. Afin de modéliser le bit quantique, il est considéré deux points quantiques afin de correspondre au piégeage d'un seul électron dans deux points/puits, et donc, la génération d'un bit quantique. Il est connu du document M. Benito, J. R. Petta, and G. Burkard, Physical Review B 100 081412 (2019), « Optimized cavity-mediated dispersive two-qubit gates between spin qubits », une interface entre un électron unique dans une boîte/un point quantique en silicium et un photon unique piégé dans une cavité supraconductrice. Cette interface permet la mise en œuvre de portes d'intrication à deux qubits médiées par des photons. Afin de coupler un spin au champ électrique de la cavité, un certain type d'hybridation spin-charge est nécessaire, ce qui a un impact sur le contrôle et la cohérence du spin. Il est proposé une porte à deux qubits médiée par la cavité et le calcul des fidélités de la porte d'intrication médiée par la cavité dans le régime dispersif, en tenant compte des erreurs dues à l'hybridation spin-charge, ainsi que des désintégrations induites par les photons et les phonons. Il est prévu d'optimiser le degré d'hybridation spin-charge, en vue de proposer des portes à deux qubits médiées par des photons de cavité capables d'atteindre des fidélités supérieures à 90 % dans les architectures de dispositifs actuelles. Des fidélités de porte iSWAP élevées sont réalisables même en présence d'un bruit de charge au niveau de 2μeV. Il est également connu du document « A. Cottet and T. Kontos, Physical Review Letters 105: 160502,2010 « A spin quantum bit with ferromagnetic contacts for circuit QED » un schéma pour un bit quantique de spin basé sur un double point quantique mis en contact avec des éléments ferromagnétiques. Les effets d'échange d'interface permettent une manipulation tout électrique du spin et un couplage fort commutable à une cavité de guide d'onde coplanaire supraconductrice, en vue d'envisager une manipulation et une lecture de spin unique sur puce à l'aide de techniques de cavité QED. Il y a plusieurs problèmes qui viennent avec l'état de l'art : 1. Il n'y a pas de paramètres réglables bien définis qui permettent au physicien expérimental de contrôler le régime de fonctionnement du qubit spin-photon. Par exemple dans la divulgation Cottet et Kontos, le champ magnétique inhomogène qui forme un gradient de champ est très spécifique et non lié à un paramètre réglable. 2. En raison du problème précédent, il n'existe pas de moyen systématique de définir un bon régime de fonctionnement, c'est-à-dire de concevoir un qubit résistant au bruit en charge, la source de bruit la plus élevée responsable de la décohérence du qubit. 3. Il n'y a aucun moyen de faire un bon compromis entre la résistance au bruit de charge, tout en ayant un bon couplage à la cavité, ce qui permet un meilleur contrôle du qubit et donc un temps de porte plus court. Une porte est une porte quantique correspondant à une opération logique qui peut changer l'état de superposition d'un qubit. Par exemple, un qubit peut avoir une chance sur deux de se retrouver dans l'un ou l'autre des deux états. Un but de l’invention est de proposer un procédé d’aide à la conception et/ou de calibrage optimal d’un système physique contenant un qubit spin photon présentant une décohérence quantique limitée, un temps de porte limité et une fidélité ou fiabilité de porte améliorée. OBJET DE L’INVENTION A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé pour calibrer, ou pour aider à la conception, un système quantique de spin à deux niveaux ou Qubit de spin, couplé à une cavité micro-onde par un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique, ce système quantique se trouvant sous la forme d’une double boîte ou d’un double point quantique comportant une boîte ou point gauche et une boite ou point droite, et étant soumis à une tension de polarisation, caractérisé par les étapes suivantes : - régler la tension de polarisation (ε) à zéro volt, - déterminer une fonction d’onde φp de chacun des boites ou points quantiques, - calculer et/ou régler des constantes de couplage magnétique antisymétrique αas et symétrique αs via la formule suivante : αi=2∫μBi(x)φp(x)∗φp(x)dx, où φp est la fonction d'onde d'orbitale électronique p (p = boite ou point gauche ou boite ou point droit), et Bi(x) est le champ magnétique symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x), - calculer et/ou régler la constante de couplage tunnel (γ), et/ou la constante de couplage magnétique symétrique αs et/ou la constante de couplage magnétique antisymétrique αas de telle sorte que : 2γαs= αs² + αas² et/ou où et . Il est possible de coupler la partie spin et la partie photon d’un qubit spin-photon par deux moyens :1. l'application d'un champ magnétique symétrique et d'un champ magnétique antisymétrique, 2. l'utilisation d'une cavité micro-ondes. L'invention résout les problèmes mentionnés au-dessus en proposant une conception d'un bon régime de fonctionnement d'un qubit, qui se traduit par une série d'étapes permettant à un physicien expérimental d'avoir accès à un qubit spin-photon à faible bruit et hautement contrôlable. Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par calibrer ou calibrage, la préparation ou le réglage du qubit dans un état optimal de fonctionnement. En outre, les expressions suivantes sont utilisées indifféremment : fonction d’onde ou orbitale électronique et seront représentées indifféremment par les signes mathématiques phi ϕ ou psiψ. De même, les expressions suivantes sont utilisées indifféremment : couplage magnétique antisymétrique ou couplage magnétique asymétrique. En outre, les expressions suivantes sont utilisées indifféremment : double boite quantique et double point quantique. Selon un mode de réalisation, les fonctions d’onde sont déterminées par la résolution d’une équation de Schrödinger, de préférence une seule, en partant de l'hypothèse que le système est un double puits de potentiel électrostatique. De préférence, pour chaque fonction d’onde, le procédé comprend les étapes suivantes : - résoudre une équation de Schrödinger en partant de l'hypothèse que le système est un double puits de potentiel électrostatique, - calculer les fonctions d’onde en considérant l’absence de champ magnétique, - calculer la constante de couplage tunnel γ, - appliquer les champs magnétiques symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x) à l’électron, - calculer les constantes de couplage magnétique asymétrique αas et symétrique αs. De préférence, le champ magnétique symétrique et/ou le champ magnétique antisymétrique est/sont réglables. Par exemple, les champs magnétiques symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x) sont réalisés par des aimants. Par exemple, le champ magnétique symétrique Bs(x) est réalisé par un solénoïde et le champ magnétique antisymétrique Bas(x) est réalisé par au moins une d'électrode permettant une polarisation magnétique, de préférence au moins une électrode de grille. De préférence, la tension de polarisation est réglable, par exemple via les potentiels électrostatiques, de préférence via des électrodes de grille d’un composant quantique. Selon un deuxième aspect, l’invention prévoit un composant quantique comprenant un système quantique de spin à deux niveaux ou Qubit de spin, couplé à une cavité micro-onde par un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique, ce système quantique se trouvant sous la forme d’une double boîte ou d’un double point quantique comportant une boîte ou point gauche et une boite ou point droit, le composant comportant : - des moyens pour appliquer un potentiel électrostatique de manière à appliquer une une tension de polarisation (ε) à ladite double boîte quantique, - des moyens pour appliquer un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique entre les deux boîtes respectivement gauche et droite, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une tension de polarisation (ε) maintenue à zéro volt et une constante de couplage tunnel et/ou la constante de couplage magnétique symétrique αs et/ou la constante de couplage magnétique antisymétrique αas de telle sorte que : 2γαs= αs² + αas² et/ou où et , où αs et αas sont respectivement des constantes de couplage magnétique symétrique et asymétrique via la formule suivante : αi=2∫μBi(x)φp(x)∗φp(x)dx, où φp est la fonction d'onde de l’orbitale électronique p (p = boite ou point gauche ou boite ou point droit), et Bi(x) est le champ magnétique symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x). De préférence, ledit composant quantique comprend une ou plusieurs caractéristiques du premier aspect. Il existe plusieurs façons de construire un qubit. Le facteur clé qui différencie un bon qubit d'un mauvais est sa susceptibilité à la décohérence. Cela affecte non seulement la durée de vie du qubit et donc la profondeur maximale d'un circuit quantique exécuté sur le processeur, mais également les taux d'erreur de chaque porte quantique. Ainsi, afin d'identifier si les nanotubes de carbone sont de bons hôtes pour la construction d'un dispositif d'information quantique, il est crucial d'identifier les processus conduisant à la décohérence du qubit. Afin d'avoir une description quelque peu réaliste du qubit et des opérations quantiques que nous allons effectuer dessus, il faut tenir compte des écarts qui accompagnent l'environnement externe du qubit, comme le bruit en charge. Cependant ce n'est pas la seule source de décohérence dont souffre le qubit. Nous les séparons en deux catégories en fonction de leur effet sur le qubit. La relaxation fait référence aux processus par lesquels le qubit se détend vers son état fondamental au fil du temps, tandis que le déphasage fait référence aux processus par lesquels les deux états du qubit acquièrent une phase différente au fil du temps. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées et dans lesquelles : La représente un schéma d’un double point quantique selon un mode de représentation ; La représente un schéma d’un composant quantique comprenant un nanotube disposé au-dessus d’électrodes, notamment des électrodes magnétiques non colinéaires ; La représente un schéma d’un composant quantique comprenant un nanotube disposé au-dessus d’électrodes, montrant un champ magnétique de fuite dipolaire ; La montre deux graphiques l’un au-dessus de l’autre, le graphique du dessus représentant d’une part en trait plein gris le potentiel électrostatique dans un nanotube en fonction de la distance en nanomètres, et d’autre part via les traits noir les deux états liant (trait plein noir) et anti-liant (trait pointillé noir) d’un électron dans une double boîtes quantique, le graphique du dessous représentant le profil de deux composantes de champ magnétique de fuite ; La montre un graphique représentant quatre niveaux d’énergie du qubit et illustrant la réduction de bruit en charge. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. Procédé pour calibrer un système quantique de spin à deux niveaux ou Qubit de spin, couplé à une cavité micro-onde par un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique, ce système quantique se trouvant sous la forme d’une double boîte ou d’un double point quantique comportant une boîte ou point gauche et une boite ou point droite, et étant soumis à une tension de polarisation, caractérisé par les étapes suivantes : - régler la tension de polarisation (ε) à zéro volt, - déterminer une fonction d’onde φp de chacun des boites ou points quantiques, - calculer et/ou régler des constantes de couplage magnétique antisymétrique αas et symétrique αs via la formule suivante : αi=2∫μBi(x)φp(x)∗φp(x)dx, où φp est la fonction d'onde d’orbitale électronique p (p = boite ou point gauche ou boite ou point droit), et Bi(x) est le champ magnétique symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x), calculer et/ou régler la constante de couplage tunnel (γ), et/ou la constante de couplage magnétique symétrique αs et/ou la constante de couplage magnétique antisymétrique αas de telle sorte que : 2γαs= αs² + αas² et/ou où et . Procédé selon la revendication 1, dans lequel les fonctions d’onde sont déterminées par la résolution d’une équation de Schrödinger en partant de l'hypothèse que le système est un double puits de potentiel électrostatique. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le champ magnétique symétrique et/ou le champ magnétique antisymétrique est/sont réglables. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant les étapes suivantes : - calculer chaque fonction d’onde en considérant l’absence de champ magnétique, - calculer la constante de couplage tunnel (γ), - appliquer les champs magnétiques symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x) à l’électron, - calculer les constantes de couplage magnétique asymétrique αas et symétrique αs. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les champs magnétiques symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x) sont réalisés par des aimants. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le champ magnétique symétrique Bs(x) est réalisé par un solénoïde et le champ magnétique antisymétrique Bas(x) est réalisé par au moins une d'électrode permettant une polarisation magnétique, de préférence au moins une électrode de grille. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la tension de polarisation est réglable. Composant quantique comprenant un système quantique de spin à deux niveaux ou Qubit de spin, couplé à une cavité micro-onde par un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique, ce système quantique se trouvant sous la forme d’une double boîte ou d’un double point quantique comportant une boîte ou point gauche et une boite ou point droit, le composant comportant : des moyens pour appliquer un potentiel électrostatique de manière à appliquer une tension de polarisation (ε) à ladite double boîte quantique, des moyens pour appliquer un champ magnétique symétrique et un champ magnétique antisymétrique entre les deux boîtes respectivement gauche et droite, caractérisé en ce que le système comprend en outre une tension de polarisation (ε) maintenue à zéro volt et une constante de couplage tunnel (γ) et/ou la constante de couplage magnétique symétrique αs et/ou la constante de couplage magnétique antisymétrique αas de telle sorte que : 2γαs= αs² + αas² et/ou où et où αs et αas sont respectivement des constantes de couplage magnétique symétrique et asymétrique via la formule suivante : αi=2∫μBi(x)φ p (x)∗φ p (x)dx, où φp est la fonction d'onde d’orbitale électronique p (p = boite ou point gauche ou boite ou point droit), et Bi(x) est le champ magnétique symétrique Bs(x) et antisymétrique Bas(x).