Qubit: la physique complexe des trous

Des physiciens de l'Irig se sont appuyés sur des expériences et des simulations numériques pour établir un modèle analytique décrivant des bits quantiques fondés sur le spin d'une lacune d'électron (trou). Les bits quantiques sur silicium développés au CEA se révèlent très bien adaptés aux trous.

Dans les bits quantiques ou qubits, l'information est stockée sous la forme d'une superposition de deux états quantiques. Ces états peuvent par exemple être ceux du spin d'un électron placé dans un champ magnétique (up et down). Le CEA fabrique de tels qubits en piégeant des électrons sous la grille de transistors silicium-sur-isolant (SOI).

Dans ces qubits, le spin est manipulé en modulant le champ magnétique dans lequel est plongé le dispositif. Une tâche délicate à l'échelle d'un qubit unique ! C'est pourquoi il peut être avantageux d'utiliser des trous plutôt que des électrons. Les trous sont en effet soumis à un fort "couplage spin-orbite", ce qui signifie que leur spin est intimement lié à leur mouvement dans l'espace. Il est ainsi possible d'agir sur le spin d'un trou en lui imprimant un mouvement oscillatoire, grâce à un champ électrique radiofréquence, directement créé par la grille du transistor et beaucoup plus facile à contrôler qu'un champ magnétique radiofréquence.

Les chercheurs de l'Irig ont combiné expériences et simulations numériques pour explorer la riche et complexe physique des trous. Grâce à des simulations jusqu'à l'échelle atomique, ils ont pu accéder à des quantités non mesurables expérimentalement et compléter la description des qubits. Ils ont alors pu établir un modèle analytique "minimal" qui ne prend en compte que les mécanismes essentiels, mis en évidence par la simulation, et grâce à lui, ils ont pu déterminer les conditions à réunir pour optimiser le contrôle des trous.

Selon leurs travaux, le silicium constitue, malgré son faible couplage spin-orbite, un matériau idéal pour les qubits de trous en raison de ses propriétés électroniques très anisotropes, la dynamique des trous dépendant très fortement de la direction de leur mouvement dans le cristal.

Références

Simple model for electrical hole spin manipulation in semiconductor quantum dots: Impact of dot material and orientation. Physical Review B