Un qubit à électron unique dans un transistor industriel

L’avènement du calcul quantique nécessite d’interconnecter des millions de bits quantiques, ou « qubits ». Plusieurs candidats sont en lice pour constituer la meilleure technologie pour cela. Parmi eux, les qubits de spin en semiconducteurs présentent de longs temps de cohérence (durant lesquels ils conservent leurs propriétés quantiques) et sont compatibles avec des structures CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), une technologie qui a permis l'intégration de milliards de transistors en microélectronique classique. Cela fait donc du qubit de spin un candidat idéal pour une fabrication fiable et évolutive de processeurs quantiques.

Une équipe de l’Institut Néel (CNRS / Université de Grenoble Alpes) en collaboration avec le CEA (IRIG et Leti) s’est ainsi intéressée à la fabrication et la caractérisation de solutions intermédiaires permettant de passer de la conception en laboratoire à des qubits entièrement conformes aux normes industrielles CMOS. En particulier, les scientifiques se sont concentrés sur le qubit de spin d'électron unique dans un dispositif CMOS, à l’aide d’un micro-aimant intégré dans le processus de fabrication.

Ce micro-aimant permet de générer un champ magnétique inhomogène dans lequel l’électron va se déplacer. Lorsque ce déplacement a lieu à une fréquence particulière, le spin de l’électron, qui se comporte aussi comme un nano aimant, va se mettre à tourner. Ce sont les mêmes principes qui sont mis en œuvre dans des mesures de résonance magnétique. Cette méthode a permis d’étudier l’effet de l’environnement de l’électron sur la décohérence de son spin, comme les fluctuations de charge ou de spins nucléaires, ou encore la présence d’états excités liés à la structure cristalline du silicium. Les résultats indiquent que la cohérence du système est limitée par le bruit magnétique induit par les spins nucléaires du silicium naturel, ce qui pourrait facilement être amélioré grâce à l'enrichissement du silicium en isotope 28 non magnétique.

Cette étude publiée dans la revue NPJ Quantum Information fournit ainsi les premières preuves expérimentales de manipulation cohérente d’un électron dans une structure compatible avec la fabrication microélectronique classique.