​Par Biel Martinez Diaz
Équipe Simulation Atomistique (L_SIM)

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.