Par Mauricio Rodriguez
Equipe L_Sim
Les qubits de spin de trou dans le germanium sont apparus comme une plateforme prometteuse pour le calcul quantique, alliant un contrôle tout électrique à une compatibilité naturelle avec les technologies de fabrication des semi-conducteurs. Cependant, leur fort couplage spin-orbite, tout en permettant un pilotage électrique rapide, engendre également une anisotropie prononcée du facteur g ainsi qu’une sensibilité accrue au bruit de charge, ce qui complique la recherche de conditions de fonctionnement optimales, en particulier lorsque les dispositifs sont étendus à des réseaux multi-qubits. Cette thèse aborde ces enjeux au moyen de la modélisation numérique, en mettant l’accent sur les interactions à N corps pertinentes pour les qubits à plusieurs trous, les interactions d’échange, et la logique à deux qubits.
Nous introduisons tout d’abord, en nous inspirant du formalisme de la matrice g, une méthodologie permettant l’exploration rapide des taux de déphasage et de relaxation en fonction de l’orientation du champ magnétique dans des systèmes réalistes. Nous illustrons cette méthodologie en comparant les performances des puits de Ge contraints conventionnels à celles des hétérostructures de Ge non contraint, une plateforme novatrice présentant une anisotropie gyromagnétique réduite. En collaboration avec le groupe expérimental de TU Delft, nous modélisons ensuite un réseau bidimensionnel de 10 qubits et montrons qu’un fonctionnement avec trois trous par boîte et un champ magnétique légèrement hors du plan offre le meilleur compromis entre efficacité de pilotage, robustesse et cohérence, reproduisant ainsi plusieurs tendances qualitatives observées expérimentalement.
Pour décrire les interactions entre qubits, nous développons une base d’états à deux trous qui capture les principales corrélations apparaissant dans le spectre complet d’interaction de configuration, avec environ cinquante fois moins d’états de base. Nous utilisons cette base pour étudier la physique de l’échange et les effets d’un champ magnétique, et démontrons son efficacité lors d’une simulation dépendante du temps du “funnel” singulet-triplet, dont le calcul est 55 000 fois plus rapide que dans la base complète. Nous utilisons cette méthodologie pour mettre en œuvre et valider une porte CNOT entre deux qubits de spin de trou de germanium, incluant un protocole de correction de phase, et montrons que sa fidélité est régie par un compromis entre l’énergie d’échange transverse (qui conditionne l’adiabaticité des impulsions d’échange) et l’énergie d’échange longitudinale, qui détermine le choix de l’amplitude d’excitation nécessaire pour supprimer les transitions hors résonance.
Ensemble, ces résultats fournissent des outils numériques efficaces ainsi que des éléments de compréhension physique pour guider la conception et le fonctionnement de processeurs à qubits de spin de trou évolutifs dans le germanium.