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Fait marquant | Simulation

Modéliser les qubits de trous pour mieux percer leurs secrets



Nous avons récemment analysé des expériences menées sur les qubits de trous en s'appuyant sur des simulations numériques qui décrivent en détail ces dispositifs quantiques. Nos travaux ouvrent la voie à l’optimisation des dispositifs de trous et à une compréhension fine des effets du couplage spin-orbite dans le silicium.

Publié le 26 septembre 2019

Les qubits sont des dispositifs dans lesquels une information est stockée comme une superposition quantique de deux états ‘0’ et ‘1’. La possibilité de pouvoir superposer différentes configurations ouvre en effet de nombreuses perspectives pour le traitement de l’information. Ces états ‘0’ et ‘1’ peuvent être les états de spin ‘up’ et ‘down' d’un électron placé dans un champ magnétique. Le CEA-Grenoble fabrique de tels qubits de spin en piégeant des électrons sous les grilles de transistors silicium-sur-isolant (SOI). Il est également possible de stocker une information dans le spin d’un ‘trou’ laissé après avoir arraché un électron au silicium. La physique de ces trous est très originale, riche et complexe. La simulation numérique permet de mieux appréhender leur comportement et de montrer leur potentiel.

Dans les qubits silicium, le spin est manipulé en modulant le champ magnétique dans lequel est plongé le dispositif. Il reste toutefois difficile de contrôler de telles modulations à l’échelle du qubit unique. C’est pourquoi il peut être avantageux de réaliser des qubits en utilisant des ‘trous’ plutôt que des électrons. Ceux-ci sont en effet soumis à un fort « couplage spin-orbite », c’est à dire que le spin d’un trou est intimement lié à son mouvement dans l’espace. Il devient ainsi possible d’agir sur le spin d’un trou en lui imprimant un mouvement oscillatoire grâce à un champ électrique radio-fréquence directement créé par la grille du transistor (et beaucoup plus facile à contrôler qu’un champ magnétique radio-fréquence).
La physique des trous est cependant beaucoup plus riche et complexe que celle des électrons. Des chercheurs de l’Irig ont récemment analysé des expériences menées sur les qubits de trous [1, 2] en s‘appuyant sur des simulations numériques qui décrivent en détail ces dispositifs quantiques jusqu’à l’échelle atomique si besoin. Ces simulations leur ont permis d’accéder à de nombreuses quantités qui ne sont pas mesurables expérimentalement et complètent donc le « portrait » qu’ils ont pu établir de ces qubits. Ces simulations ont en particulier permis aux chercheurs de mieux comprendre les mécanismes de manipulation du spin à l’échelle nanométrique [3]. Ils ont alors été en mesure d’établir un modèle analytique « minimal » qui reprend les mécanismes essentiels mis en évidence par la simulation [4]. Ce modèle analytique décrit les conditions à réunir pour optimiser le contrôle des trous et démontre que le silicium constitue un matériau idéal pour les qubits de trous malgré son faible couplage spin-orbite, en raison de ses propriétés électroniques très anisotropes (la dynamique des trous dépendant très fort de la direction de leur mouvement dans le cristal).
Ces travaux ouvrent la voie à l’optimisation des dispositifs de trous et à une compréhension fine des effets du couplage spin-orbite dans le silicium.


Modélisation de quatre qubits le long d’un fil de silicium (rouge), chacun contrôlé par une grille (gris transparent). Sont représentées en jaune les iso-surfaces de densité électronique sous chacune de ces grilles qui indiquent où sont localisés les trous.


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