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Members
Date
November 11, 2019 9:30 AM
-
November 12, 2019 2:40 PM
Lieu de l'événement
Hôtel Château Bromont
10 h 30 – 10 h 55 Inscription
10 h 55 – 11 h Mot d'ouverture (Salon A)
11 h – 11 h 45 Pr Frédéric Dupuis, Université de Montréal
Codes polaires purement quantiques
11 h 45 – 12 h 05 Marco David, étudiant, Université McGill
QED. La quête de la vérification formelle des mathématiques
12 h 05 – 13 h 30 Dîner (Salle 4 Canards)
13 h 30 – 14 h 15 Dr Louis Gaudreau, Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Distribution de l'intrication par conversion cohérente photon-spin dans des
circuits de boîtes quantiques semiconductrices
14 h 15 – 14 h 45 Dr Joël Griesmar, Université de Sherbrooke
Un spectromètre mésoscopique fondé sur l'effet Josephson
14 h 45 – 15 h 15 Pause-café (Salon B)
15 h 15 – 15 h 45 Dr Stéphane Virally, Polytechnique Montréal
L'optique quantique dans le domaine temporel
15 h 45 – 16 h 25 Industrie et entreprises en démarrage en technologies quantiques
Dr Félix Beaudoin, Les Technologies Nanoacademic Inc
(www.nanoacademic.com)
Dr David Roy-Guay, SB Quantum (www.sbquantum.com)
Pr David Poulin, Microsoft
16 h 25 – 17 h Équité, diversité et inclusion (Résumé et photos de l'atelier)
17 h – Session d'affiches et rafraichissements (Salon B)
19 h 30 – Souper INTRIQ (salle Knowlton)
8 h 30 – 9 h Pr Anne Broadbent, Université d'Ottawa
Chiffrement quantique avec suppression certifiée
9 h – 10 h Dr Tomas Jochym-O'Connor, IBM – Yorktown Heights, New York
La disjonction dans les codes stabilisateurs
10 h – 10 h 30 Pause-café (Salon B)
10 h 30 – 11 h 30 Pr Signe Seidelin, Institut NEEL CNRS/UGA
Cristaux dopés aux terres rares pour l'optomécanique couplée par la contrainte
11 h 30 – 12 h Dre Erika Janitz, Université McGill
Émission de photons amplifiée par cavité à partir d'un centre germanium-
lacune unique dans une membrane de diamant
12 h – 13 h 30 Dîner (Salle 4 Canards)
13 h 30 – 14 h Pr Jérôme Bourassa, Cégep de Granby
Illumination quantique : exploiter les corrélations quantiques lorsque
l'intrication est perdue
14 h – 14 h 30 Dr Thomas Baker, Université de Sherbrooke
Modélisation de circuits supraconducteurs à l'aide d'un réseau de tenseurs
14 h 30 – 15 h Dr Anirban Chowdhury, Université de Sherbrooke
Simuler la physique thermique sur des ordinateurs quantiques
15 h – 15 h 30 Questions et réponses
15 h 30 – 15 h 40 Mot de clôture
Institut NEEL CNRS/UGA
Cristaux dopés aux terres rares pour l'optomécanique couplée par la contrainte
L'un des défis de la physique moderne consiste à étudier le comportement quantique d'un objet matériel massif – par exemple un oscillateur mécanique – placé dans un état non classique. Une difficulté majeure réside dans le fait d'interagir avec l'objet mécanique sans perturber son comportement quantique. Une approche consiste à exploiter un système quantique hybride composé d'un oscillateur mécanique couplé à un objet de type atomique, et à interagir par l'intermédiaire de cet objet de type atomique. Un mécanisme de couplage particulièrement intéressant entre le résonateur et l'« atome » repose sur la contrainte du matériau. Ici, l'oscillateur est un objet massif contenant un atome artificiel intégré (dopant, boîte quantique, etc.) qui est sensible à la contrainte mécanique du matériau environnant. Les vibrations de l'oscillateur produisent un champ de contrainte variable dans le temps qui module les niveaux d'énergie de la structure intégrée. Nous avons suggéré d'utiliser des cristaux dopés aux terres rares pour les systèmes couplés par la contrainte [1] et proposé un mécanisme pour refroidir le résonateur [2]. Dans cette présentation, je ferai le point sur nos progrès vers la réalisation expérimentale de ces protocoles. Nous utilisons un cristal de silicate d'yttrium (Y2SiO5) contenant des ions europium trivalents (Eu3+), qui sont optiquement actifs. Ce choix s'explique par les extraordinaires propriétés de cohérence de ce dopant, combinées à sa grande sensibilité à la contrainte : l'ion Eu3+ dans une matrice de Y2SiO5 possède une transition optique ayant la plus faible largeur de raie connue pour un émetteur à l'état solide, et cette transition est directement sensible à la contrainte. Nous avons fabriqué avec succès des résonateurs mécaniques, conçu et mis en place l'expérience, et atteint un rapport signal sur bruit compatible avec les mesures prévues, en plus d'avoir mesuré la sensibilité à la contrainte des ions europium dans des cristaux massifs de Y2SiO5.
[1] K. Mølmer, Y. Le Coq and S. Seidelin, Dispersive coupling between light and a rare-earth ion doped mechanical resonator, Phys. Rev. A 94, 053804 (2016)
[2] S. Seidelin, Y. Le Coq and K. Mølmer, Rapid cooling of a strain-coupled oscillator by an optical phase-shift measurement, Phys. Rev. A 100, 013828 (2019)
IBM - Yorktown Heights, New York
La disjonction dans les codes stabilisateurs
La disjonction des codes stabilisateurs en correction d'erreurs quantiques est une quantité algébrique liée à la structure des générateurs stabilisateurs d'un code. Elle peut servir à caractériser les propriétés de différentes classes de portes logiques, en imposant des bornes au niveau de la hiérarchie de Clifford accessible aux circuits de profondeur constante. Cette présentation introduira la notion de disjonction, en soulignera l'utilité à l'aide de plusieurs exemples et proposera des questions ouvertes pour lesquelles la disjonction pourrait s'avérer utile.
Université de Montréal
Codes polaires purement quantiques
Nous proposons une version purement quantique des codes polaires, qui atteint l'information cohérente de tout canal quantique. Notre schéma repose sur une construction récursive de combinaison et de division de canaux, dans laquelle des portes de Clifford aléatoires à deux qubits servent à combiner deux canaux à un qubit. Les entrées des mauvais canaux synthétisés sont gelées par le partage de paires EPR entre l'émetteur et le récepteur; notre schéma est donc assisté par l'intrication. Nous montrons en outre qu'un canal de Pauli se polarise si et seulement si un canal classique particulier, dont l'ensemble d'entrée comporte quatre symboles, se polarise. Nous exploitons cette équivalence pour démontrer la polarisation rapide des canaux de Pauli et pour concevoir un algorithme de décodage efficace par annulation successive pour ces canaux. Il s'agit de travaux réalisés en collaboration avec Ashutosh Goswami, Mehdi Mhalla et Valentin Savin.
Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Distribution de l'intrication par conversion cohérente photon-spin dans des circuits de boîtes quantiques semiconductrices
Dans cette présentation, je présenterai le schéma de distribution de l'intrication à longue distance que nous proposons afin de surmonter les limites fondamentales des schémas optiques actuels. L'utilisation de boîtes quantiques semiconductrices à bande interdite directe permet d'exploiter des avantages d'efficacité et d'annonce (heralding) grâce à la conversion photon-spin. Pour cette raison, des matériaux comme le GaAs sont supérieurs au Si dans ce type d'applications. Je passerai en revue les schémas actuels de transfert de qubits photoniques encodés en polarisation ou en intervalles temporels (time-bin) vers des qubits de spin électronique, et je décrirai des adaptations permettant d'employer des trous lourds, qui présentent plusieurs propriétés intéressantes, dont l'accordabilité du facteur g. Enfin, je présenterai des résultats préliminaires sur des dispositifs à boîtes quantiques utilisant des hétérostructures de Van der Waals, qui offrent plusieurs avantages potentiels, comme des énergies de confinement plus élevées grâce à leur géométrie d'une épaisseur atomique, une combinaison plus facile avec différents substrats et la possibilité d'encoder l'information dans leur degré de liberté de vallée.
Université de Sherbrooke
Modélisation de circuits supraconducteurs à l'aide d'un réseau de tenseurs
Nous présentons une méthode de réseau de tenseurs adaptée à la simulation de circuits supraconducteurs à grande échelle. Nous tirons parti d'informations inaccessibles aux autres méthodes de simulation de pointe pour produire, à partir des premiers principes, des estimations du temps de cohérence du qubit fluxonium. Nous étudions en particulier la dispersion de charge de ce qubit due aux processus cohérents de glissement de phase quantique en fonction de l'impédance du réseau de jonctions, et nous fournissons une preuve numérique directe de la validité d'une théorie effective introduite dans [V. E. Manucharyan et. al, PRB 85, 024521 (2012)]. Nous pouvons analyser les circuits sous l'angle de l'intrication, ce qui peut indiquer à quel point l'information quantique est protégée dans les circuits et inspirer de meilleures façons de l'encoder. Les mesures du taux de participation énergétique des composants du circuit indiquent comment les transitions du qubit sont affectées par les canaux de dissipation et le désordre des éléments du circuit.
Cégep de Granby
Illumination quantique : exploiter les corrélations quantiques lorsque l'intrication est perdue
Les états comprimés à deux modes sont des états quantiques de la lumière dans lesquels les photons d'une paire de faisceaux distincts sont intriqués. Ces états EPR de la lumière constituent une excellente ressource pour les protocoles de détection quantique et de communication quantique. Le bruit excédentaire dans un canal de transmission à pertes brise toutefois l'intrication et empêche toute communication quantique sécurisée entre les parties. Malgré cela, les corrélations quantiques de l'état final résistent au bruit de l'environnement et demeurent supérieures à ce que permet la physique classique. Par conséquent, il a été démontré qu'illuminer un objet distant avec de la lumière intriquée, ce qu'on appelle l'illumination quantique, procure des gains quantiques en capacité de détection à distance et en résilience au bruit d'un adversaire. L'illumination quantique pourrait apporter des gains de performance inestimables aux observations réalisées dans des environnements bruités, des échantillons biologiques dans le domaine optique jusqu'à la surveillance par satellite dans les micro-ondes. Dans cette présentation, j'introduirai le concept d'illumination quantique, je présenterai un survol de différents schémas de détection et j'aborderai leurs capacités et leurs limites. En mettant l'accent sur la technologie micro-ondes, je présenterai les exigences et les progrès vers la construction d'un système radar micro-ondes amélioré par des effets quantiques.
Université d'Ottawa
Chiffrement quantique avec suppression certifiée
Étant donné un texte chiffré, est-il possible de prouver la suppression du texte en clair sous-jacent? Puisque les textes chiffrés classiques peuvent être copiés, un tel exploit est manifestement impossible avec la seule information classique. À l'inverse, nous montrons que les encodages quantiques permettent une telle suppression certifiée. Plus précisément, nous montrons qu'il est possible de chiffrer des données classiques en un texte chiffré quantique de sorte que le destinataire du texte chiffré puisse produire une chaîne classique prouvant à l'expéditeur que le destinataire a renoncé à toute possibilité de récupérer le texte en clair, si jamais la clé de déchiffrement venait à être révélée. Notre schéma est réalisable avec la technologie quantique actuelle : les parties honnêtes n'ont besoin que de dispositifs quantiques permettant la préparation et la mesure de qubits uniques, et le schéma est robuste au bruit dans ces dispositifs. De plus, nous fournissons une analyse adaptée au régime à clé finie.
https://arxiv.org/abs/1910.03551
Université de Sherbrooke
Simuler la physique thermique sur des ordinateurs quantiques
La simulation de systèmes en équilibre thermique et le calcul de leurs propriétés sont des problèmes importants en physique. On sait toutefois que ce sont aussi des problèmes difficiles sur le plan computationnel, surtout pour les systèmes quantiques. Je parlerai d'algorithmes quantiques qui peuvent, sous certaines conditions, offrir des avantages pour l'échantillonnage d'états thermiques de Gibbs et le calcul de fonctions de partition d'hamiltoniens quantiques. Une idée clé de nos algorithmes consiste à approximer une évolution en temps imaginaire par une combinaison linéaire d'évolutions (unitaires) en temps réel. Cette combinaison linéaire peut ensuite être facilement mise en œuvre sur un ordinateur quantique usuel à portes. J'expliquerai aussi comment cette approximation peut servir à calculer la fonction de partition dans un modèle de calcul restreint qui n'utilise qu'un seul qubit pur.
Étudiant au baccalauréat
Directeur : Bill Coish
Université McGill
QED. La quête de la vérification formelle des mathématiques
La correction formelle et la vérité formelle ont une grande valeur. Grâce à la vérification formelle, on peut s'assurer que le logiciel de pilote automatique des avions commerciaux ne met pas ses passagers en danger, et les preuves de correction sont déjà une pratique courante dans l'industrie. On procède généralement par une formulation mathématique précise de l'algorithme et un raisonnement déductif sur ses propriétés, qui est ensuite vérifié par machine. Pourtant, les mathématiciens eux-mêmes ne se sont jamais intéressés à effectuer des vérifications formelles. Bien que les mathématiques se targuent d'être la plus fondamentale des sciences, presque toutes les preuves sont habituellement rédigées avec de nombreuses abstractions et omissions. Il en résulte un nombre étonnamment élevé d'erreurs importantes dans la littérature mathématique publiée. En s'appuyant sur le profond dilemme entre ce qu'est une preuve et ce qu'elle devrait être, cette présentation explore le domaine de la vérification formelle et de la démonstration interactive de théorèmes, en mettant particulièrement l'accent sur les mathématiques, et offre également un aperçu des applications aux algorithmes quantiques.
Université de Sherbrooke
Un spectromètre mésoscopique fondé sur l'effet Josephson
Un élément clé des systèmes topologiques mésoscopiques, comme les circuits hybrides semiconducteur-supraconducteur, est constitué par les états liés d'Andreev, des quasiparticules uniques localisées dans des liens faibles supraconducteurs. L'énergie de transition caractéristique de ces états est égale à deux fois le gap supraconducteur (90 GHz dans l'aluminium). Les techniques micro-ondes conventionnelles permettent de sonder ces états, mais seulement dans une bande passante limitée. Nous proposons un nouveau spectromètre à large bande fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 180 GHz, fondé sur l'effet Josephson, qui convertit une tension continue en oscillations micro-ondes à une fréquence proportionnelle à cette tension. L'utilisation d'un SQUID symétrique polarisé à un demi-quantum de flux permet de découpler le spectromètre des modes de l'environnement. De plus, une conception soignée du circuit de polarisation réduit le nombre de modes restants et les amortit. Le spectromètre mésoscopique fabriqué présente une largeur de raie de 2 MHz, une bande passante de 180 GHz et une sensibilité théorique minimale de 5 kHz.
Université McGill
Émission de photons amplifiée par cavité à partir d'un centre germanium-lacune unique dans une membrane de diamant
Les défauts de type atomique dans le diamant offrent une interface lumière-matière prometteuse pour les applications en information quantique. En nous intéressant à des solutions de rechange au centre azote-lacune (NV), abondamment étudié, nous examinons les interactions entre un défaut aux propriétés optiques supérieures, le centre germanium-lacune (GeV), et une microcavité ouverte. Nous démontrons, à température ambiante, le couplage entre un émetteur unique dans une membrane de diamant et une cavité à fibre de finesse 11 000, mis en évidence par une multiplication par 8 de la densité spectrale d'émission. Les avancées expérimentales de ces travaux ouvrent la voie à de futures expériences cryogéniques, pour lesquelles nous prédisons, avec le système existant, une multiplication par 7 du taux d'émission spontanée du GeV.
Polytechnique Montréal
L'optique quantique dans le domaine temporel
La quantification du champ électromagnétique (EM) s'effectue en deux étapes : la première quantification sélectionne des modes discrets, et la seconde quantification promeut l'amplitude classique de ces modes au rang d'opérateurs quantiques. Dans les manuels d'optique quantique, la première étape est toujours effectuée dans le domaine fréquentiel (c.-à-d. que l'on sélectionne des modes monochromatiques). C'est très utile dans de nombreuses situations où le signal est effectivement quasi monochromatique. Cependant, cette description est inadéquate pour les signaux à large bande de quelques cycles que l'on rencontre, par exemple, en optique ultrarapide et dans de nombreuses expériences dans le domaine des micro-ondes. Nous montrons donc comment il est possible d'effectuer une quantification complète du champ EM en réalisant la première étape dans le domaine temporel plutôt que fréquentiel [1]. Cette procédure entraîne des conséquences intéressantes, comme l'existence d'un dual de l'hamiltonien dans le domaine temporel et d'une relation non causale entre le champ EM transportant l'amplitude de probabilité de l'énergie et le « champ photonique », qui transporte l'amplitude de probabilité des déclics de photons sur un détecteur à large bande.
[1] Virally, S. and Reulet, B., “Unidimensional time domain quantum optics”, PRA 100, 023833 (2019)
Doctorant, Université McGill
Directeur : Jack Sankey
Progrès vers le contrôle optique de la géométrie mécanique
Nous présentons nos progrès expérimentaux vers la réalisation de la proposition récente de notre groupe [1] visant à obtenir un niveau inédit de contrôle optomécanique sur la forme et la masse d'un mode mécanique, en utilisant un ressort optique pour perturber un seul site du réseau d'un cristal phononique, ce qui permet de localiser graduellement la distribution spatiale de la masse oscillante de l'échelle du centimètre à celle du micron. Un tel contrôle de la forme et de la masse n'a jamais été démontré et représente une avenue entièrement inexplorée dans le domaine. Jusqu'à présent, nous avons fabriqué de façon fiable les structures mécaniques requises (délicates!) et observé la « bande interdite phononique » caractéristique (un ingrédient nécessaire à la localisation). Nous avons assemblé une cavité fibre-fibre rigide et isolée des vibrations, avec un cristal phononique en son centre, afin de mesurer ces effets. Nous présentons des tentatives préliminaires de verrouillage de cette cavité à la résonance et d'obtention du mouvement brownien du cristal à partir du signal d'erreur. Enfin, nous présentons une technique permettant de diminuer de manière contrôlée la finesse d'un miroir à fibre en gravant graduellement les bicouches formant le réflecteur de Bragg distribué. Nous gravons six bicouches, puis mesurons la finesse après le retrait de chaque bicouche. Nous constatons que la finesse mesurée concorde remarquablement bien avec un modèle de matrice de transfert 1D. Il est nécessaire d'atteindre une valeur de finesse précise pour nos miroirs à fibre afin que notre cavité génère un ressort optique puissant tout en présentant un taux de décroissance suffisamment élevé, ce qui minimise l'anti-amortissement du cristal phononique et facilite le verrouillage de la cavité.
[1] A. Z. Barasheed et al., Phys. Rev. A 93, 053811 (2016)
Professionnel de recherche
Institut Quantique
Résonateur supraconducteur suspendu en NbN pour réduire les pertes intrinsèques
Les résonateurs micro-ondes supraconducteurs à guide d'ondes coplanaire (CPW) sont des éléments essentiels des détecteurs de photons, des amplificateurs paramétriques limités par le bruit quantique, des filtres à bande étroite, de la lecture et des interconnexions dans les processeurs quantiques ainsi que des dispositifs hybrides reliant des spins à l'état solide à des circuits supraconducteurs [1-3]. En régime quantique, le principal mécanisme de pertes des résonateurs supraconducteurs à facteur Q élevé peut être attribué aux systèmes parasites à deux niveaux (TLS) présents dans les diélectriques. Les TLS d'interface sont des sous-produits courants du procédé de fabrication, souvent introduits par des impuretés associées aux surfaces de Si [3]. Pour réduire les pertes intrinsèques, nous employons la gravure ionique réactive profonde (DRIE) isotrope du substrat de Si afin de créer des résonateurs supraconducteurs suspendus en NbN (SSR).
Dans cette étude, des couches minces de niobium (Nb) et de nitrure de niobium (NbN) sont déposées sur un substrat de Si au moyen d'un système de pulvérisation cathodique magnétron à courant continu. L'influence du rapport de gaz N2/Ar, du courant de dépôt et du potentiel de polarisation du substrat sur la température critique supraconductrice des couches est étudiée. La gravure par plasma de couches minces de Nb et de NbN dans un plasma de SF6 et de Cl2-BCl3 est étudiée à l'aide d'un réacteur à plasma à couplage inductif (ICP). Des études paramétriques sur les effets du débit total de gaz et de la pression de la chambre sur les angles des flancs et les vitesses de gravure sont présentées. Enfin, un résonateur supraconducteur suspendu en NbN est fabriqué et sera testé. Ces travaux pourraient s'appliquer à la fabrication de qubits supraconducteurs dans des circuits intégrés, ouvrant la voie à des temps de cohérence des qubits plus longs.
[1] Landig et al. Coherent spin–photon coupling using a resonant exchange qubit. Nature 560, 179–184 (2018)
[2] Tosi et al. Silicon quantum processor with robust long-distance qubit couplings. Nat Commun 8, 450 (2017)
[3] Bruno et al. Reducing intrinsic loss in superconducting resonators by surface treatment and deep etching of silicon substrates, Appl. Phys. Lett. 106, 182601 (2015)
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Alexandre Blais
Algorithmes quantiques variationnels pour le modèle de Fermi-Hubbard
Le calcul quantique bruité à échelle intermédiaire pourrait s'avérer utile pour la simulation de matériaux quantiques. Une approche de simulation importante consiste à utiliser des algorithmes quantiques variationnels (VQA), qui présentent une certaine résilience au bruit et peuvent composer avec une connectivité limitée entre les qubits. Nous visons ici à simuler l'état fondamental du modèle de Fermi-Hubbard au moyen d'un VQA. Nous examinons plusieurs possibilités pour concevoir le circuit variationnel de préparation d'état et nous les évaluons en présence d'un bruit réaliste. Nous constatons que les formes variationnelles inspirées de l'hamiltonien offrent une meilleure performance qu'une approche efficace sur le plan matériel. Ces travaux constituent un pas vers la simulation de la supraconductivité à haute Tc sur un dispositif quantique.
Stagiaire, Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Directeur : Andrew Sachrajda
Étude expérimentale de la RSDE d'un trou unique avec fort couplage spin-orbite dans une double boîte quantique GaAs/AlGaAs à grilles
Étudiant à la maîtrise, Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Directeur : Andrew Sachrajda
Fabrication et effets de l'irradiation d'un gaz bidimensionnel d'électrons peu profond induit par champ dans des hétérostructures GaAs/AlGaAs à dopage modulé dont le dopant a été gravé
Collaboration avec Takafumi Fujita, Yasushi Kanai, Kazuhiko Matsumoto, Yuji Sakai, Haruki Kiyama, Julian Ritzmann, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck et Akira Oiwa (Université d'Osaka, Ruhr University Bochum). : Les qubits de spin électronique fondés sur des boîtes quantiques (QD) GaAs/AlGaAs définies par grilles et formées dans un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) sont de sérieux candidats pour une interface quantique entre un photon unique et un spin électronique unique. Toutefois, la suppression de la réponse irréversible à l'irradiation par photons dans les QD GaAs/AlGaAs dopées conventionnelles définies par grilles est indispensable pour manipuler de façon stable et continue un spin électronique unique généré par un photon unique. L'une des solutions les plus prometteuses consiste à utiliser des QD formées dans un 2DEG induit par champ sur des hétérostructures non dopées, puisque ces problèmes sont causés par les dopants de Si. Par ailleurs, dans les structures non dopées conventionnelles, il faut optimiser des procédés complexes de gravure et de dépôt pour fabriquer les contacts ohmiques afin d'éviter de créer un 2DEG discontinu et des chemins de fuite indésirables vers les grilles supérieures. Nous présentons ici la fabrication et les effets de l'irradiation d'une structure améliorée de 2DEG induit par champ dans des hétérostructures GaAs/AlGaAs à dopage modulé dont le dopant a été gravé, qui tire parti d'une structure dopée conventionnelle pour simplifier la fabrication des contacts ohmiques. Nous parvenons à induire un 2DEG et évaluons les effets de l'irradiation lumineuse sur les propriétés de transport pendant qu'un courant électrique décroît avec le temps. Ces travaux pourraient offrir une voie supplémentaire pour réaliser des QD GaAs non dopées définies par grilles, en vue d'une interface quantique robuste face à l'irradiation par photons.
Doctorante, Université de Sherbrooke
Directeur : Michel Pioro-Ladrière
La technologie FD-SOI UTBB 28 nm pour les boîtes quantiques en silicium et l'électronique cryo-CMOS
Bien que des progrès remarquables aient été réalisés ces dernières années dans le domaine des qubits de spin en silicium logés dans des technologies CMOS conventionnelles à petite échelle, le couplage de plusieurs qubits en vue d'opérations logiques à grande échelle demeure un défi. L'utilisation de méthodes de production de masse de pointe issues de la microélectronique semble être une piste très prometteuse pour résoudre ce problème. Un autre problème à régler concerne l'électronique de contrôle des qubits. En effet, lorsqu'il faudra contrôler plus d'un millier de qubits, la chaleur et le bruit produits par l'électronique standard deviendront rapidement un enjeu majeur.
Notre objectif, en vue d'un processeur quantique compact, est de développer une architecture de qubits de spin d'électron ou de trou en silicium fabriquée au moyen de techniques industrielles, avec un contrôle intégré sur puce obtenu par la cointégration d'électronique classique à températures cryogéniques. Dans cette affiche, nous présentons nos progrès tant sur l'architecture des qubits que sur l'électronique cryogénique. Notre dispositif à qubits est conçu et fabriqué exclusivement à l'aide de techniques de fabrication industrielles CMOS, sur la base de la technologie planaire FD-SOI (silicium sur isolant entièrement déplété) 28 nm à corps et BOX ultraminces (UTBB) de STMicroelectronics. Nous présentons nos progrès sur des systèmes à boîte quantique simple et à boîtes quantiques multiples dans des architectures 1D (réseau linéaire) et 2D (matrice). Nous proposons également une conception d'électronique CMOS cryogénique pour la manipulation et la lecture de nombreux qubits, afin d'effectuer des opérations logiques pour les besoins du calcul quantique à grande échelle. La FD-SOI est une technologie prometteuse pour la mise en œuvre de la cryo-CMOS, puisqu'il a déjà été démontré qu'elle fonctionne jusqu'à 4 K. Nous avons étudié la performance d'oscillateurs en anneau, constitués de transistors NMOS et PMOS FD-SOI 28 nm, conçus pour générer des signaux micro-ondes de 6 à 10 GHz. Notre oscillateur en anneau est couplé à un diviseur de fréquence permettant une conversion abaissée sur puce, ce qui rend possible la lecture avec un montage de mesure électronique conventionnel dans le régime des MHz.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directeur : Claude Crépeau
Stratégie générale de mise en gage de bit à partir de jeux de pseudo-télépathie
Le traitement quantique de l'information a grandement contribué à l'essor rapide de la cryptographie moderne, à l'intersection des mathématiques, de la physique et de l'informatique. Des tâches de communication jusqu'ici impossibles à réaliser classiquement peuvent être accomplies grâce à l'intrication quantique. Les jeux de pseudo-télépathie en sont une application : un jeu présente de la pseudo-télépathie lorsqu'il existe une stratégie gagnante quantique sans équivalent classique. Après l'examen des jeux de pseudo-télépathie connus, une stratégie générale pour concevoir un protocole de mise en gage de bit à l'aide de jeux de pseudo-télépathie est présentée. En raison de la nature du jeu, les protocoles de mise en gage de bit dérivés de ces jeux sont inconditionnellement sûrs sur le plan classique, mais peuvent être contournés par des joueurs quantiques.
Directeur : Jack Sankey
Maîtrise : Université McGill
Mouvement mécanique entraîné par le bruit quantique de pression de radiation
Nous présentons nos progrès vers l'observation du mouvement mécanique d'un trampoline entraîné par le bruit quantique de pression de radiation (QRPN). Les lasers présentent des fluctuations quantiques causées par les fluctuations de l'émission de photons, aussi appelées bruit de grenaille, et notre objectif est de mesurer l'effet de ces fluctuations qui « frappent » un résonateur mécanique en trampoline. Pour ce faire, nous placerons le trampoline dans une courte cavité fibre-fibre (~10 microns) à l'intérieur d'une chambre à vide à température ambiante, et nous y injecterons de la lumière laser. Le trampoline sera entraîné par la pression de radiation causée par le bruit de grenaille du laser à l'intérieur de la cavité. Le trampoline possède d'excellentes propriétés mécaniques (facteur de qualité élevé et faible bruit de force), et la courte cavité permet un taux de décroissance élevé sans compromettre la finesse, ce qui nous permet d'obtenir un mouvement du trampoline dominé par le QRPN plutôt que par le bruit thermique. Nous avons actuellement caractérisé les propriétés mécaniques du trampoline, dont le facteur de qualité mécanique est élevé (> 20 millions), et nous avons démontré que nous pouvons obtenir un laser dominé par le bruit de grenaille en écrasant son bruit classique. Les travaux futurs viseront à élargir la bande de fréquences dans laquelle le laser est dominé par le bruit de grenaille, ainsi qu'à assembler la chambre et la cavité.
Doctorant, Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Directeur : Andrew Sachrajda
Formation de boîtes quantiques sur un substrat de GaAs (110)
Collaboration avec Rio Fukai, Yuji Sakai, Takafumi Fujita, Haruki Kiyama, Takashi Nakajima, Julian Ritzmann, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha et Akira Oiwa (Université d'Osaka, Ruhr University Bochum, RIKEN et Université de Tokyo). : Les dispositifs semiconducteurs définis par grilles offrent une plateforme qui permet de réaliser diverses expériences de transport quantique. Les spins électroniques dans des boîtes quantiques (QD) GaAs définies par grilles ont été largement étudiés en vue de bits quantiques intégrés et stables. Dans ces expériences, on utilise généralement des couches épitaxiales crûes sur le plan (001). Dans un puits quantique (QW) de GaAs (110), on s'attend à une conversion plus efficace de l'état quantique photon-spin électronique par l'excitation des niveaux Zeeman des trous lourds sous un champ magnétique dans le plan. Cependant, très peu de travaux expérimentaux ont été réalisés sur les systèmes de basse dimension définis électriquement sur le substrat (110). À partir de mesures sur barre de Hall, la mobilité et la densité électronique d'un QW crû sur un substrat (110) ont été estimées à 7×104 cm2/Vs et 9×1010 cm-2, respectivement, à une température de 1,5 K. Nous avons ensuite fabriqué des QD latérales définies par grilles et les avons mesurées à l'aide d'un réfrigérateur à dilution. Nous observons clairement des oscillations de Coulomb dans le régime à quelques électrons en surveillant le courant d'un capteur de charge voisin. Nous nous attendons à ce que les QD GaAs (110) offrent une nouvelle plateforme pour l'étude du couplage photon-spin.
Stagiaire, Conseil national de recherches Canada (CNRC) – Ottawa
Directeur : Andrew Sachrajda
Spectre d'énergie d'un trou unique dans une DQD GaAs/AlGaAs à forte interaction spin-orbite et à facteurs g propres à chaque boîte
Doctorante, Polytechnique Montréal
Directeur : Sébastien Francoeur
Les excitons-polaritons comme outil de contrôle des caractéristiques d'émission des excitons et des trions liés au Te2 dans le ZnSe
Les molécules de Te2 dans le ZnSe forment un défaut quantique qui offre des caractéristiques avantageuses, notamment une grande uniformité optique due à sa nature atomique et un fort moment dipolaire optique comparable à ceux des nanostructures semiconductrices, pour le développement d'interfaces spin-photon efficaces destinées à des applications en optique, en communications et en réseaux quantiques.
Dans ces travaux, nous démontrons que les excitons-polaritons générés dans le matériau hôte ZnSe peuvent servir à contrôler de manière déterministe les caractéristiques d'émission des excitons et des trions liés à une seule molécule de Te2. En particulier, l'efficacité d'émission augmente de deux ordres de grandeur, ce qui indique un couplage très efficace entre les excitons libres et les états liés au Te2. Le balayage de la bande des excitons libres avec un laser accordable à fréquence étroite sur la région spectrale de l'exciton libre révèle de fortes oscillations en phase, d'une période d'environ 1 meV, dans l'intensité, l'énergie et la largeur de raie d'émission de l'exciton lié. Ces modulations s'expliquent par le couplage fort qui se produit naturellement dans le ZnSe entre les photons et les excitons libres, c'est-à-dire les excitons-polaritons.
Ce type de processus coopératif, dans lequel une excitation de l'hôte sert à contrôler le comportement d'un émetteur unique, n'a jamais été rapporté auparavant. Il permet de contrôler de manière déterministe les propriétés d'émission et rend possible le développement de nouveaux schémas de contrôle cohérent.
Étudiant à la maîtrise, Polytechnique Montréal
Directeur : Sébastien Francoeur
Stabilisation optique de la diffusion spectrale d'un exciton lié à un centre isoélectronique de Te dans le ZnSe
Nous présentons la stabilisation de l'environnement électrostatique d'un émetteur unique lié à un centre isoélectronique de Te dans le ZnSe, qui se traduit par une augmentation du temps de cohérence T2. Une excitation non résonante est utilisée pour réduire les fluctuations de charge à proximité de l'émetteur. Des puissances d'excitation non résonante ultrafaibles permettent la recombinaison radiative des trous piégés à proximité de l'émetteur, réduisant ainsi le décalage vers le rouge de l'énergie de résonance induit par l'effet Stark continu. Le spectre de PLE résulte de la superposition de raies lorentziennes non résolues, chacune correspondant à une certaine distribution de charges. À des puissances d'excitation non résonante plus élevées, nous atteignons la saturation et peuplons les états de piège avec des excitons, ce qui induit un autre décalage vers le rouge par l'interaction de Heitler-London.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directrice : Lilian Childress
Vers le couplage de centres colorés du diamant à des microcavités à fibre
Les centres colorés du diamant sont des interfaces spin-photon intéressantes pour les technologies quantiques de demain. Le centre azote-lacune (NV-), « porte-étendard » du domaine, est une plateforme éprouvée, mais il souffre d'une faible probabilité d'émission (~3 %) de photons dans la raie à zéro phonon (ZPL), nécessaire aux protocoles d'intrication à distance [1,2]. Une solution de contournement possible tire parti d'un couplage résonant à une cavité optique pour améliorer l'efficacité d'émission [3]. De plus, les centres germanium-lacune (GeV) peuvent être utilisés pour leur taux d'émission de photons plus élevé dans la ZPL et leur élargissement inhomogène plus faible [4]. Nous présentons nos efforts en cours pour coupler des centres NV- et GeV à une microcavité à fibre configurée en microscope à balayage. Les finesses de cavité élevées (> 30 000) obtenues grâce à des membranes de diamant à ultrafaibles pertes ouvrent la voie à l'observation de l'amplification de Purcell de transitions de spin individuelles, mais imposent aussi des exigences rigoureuses quant à la stabilisation de la cavité.
[1] E. Hogan et al., Nature 466 (2010)
[2] N. Kalb et al., Science 356 (2017)
[3] D. Riedel et al., PRX 7 (2017)
[4] P. Siyushev el a., PRB 96 (2017)
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directrice : Eva Dupont-Ferrier
Mesures cryogéniques de capacité à haute résolution de structures FD-SOI à l'aide d'un pont de capacité
Comme on envisage d'utiliser des structures CMOS pour héberger des qubits de spin en silicium et pour cointégrer des systèmes quantiques avec l'électronique de contrôle, le comportement cryogénique de ces structures doit être étudié. Les mesures capacité-tension (C-V) sont largement utilisées pour déterminer les paramètres des semiconducteurs. Il est nécessaire d'effectuer des mesures C-V à haute résolution à températures cryogéniques pour caractériser les structures CMOS, ce qui peut ouvrir la voie à la lecture de charge de boîtes quantiques fondée sur la variation de capacité. Cependant, dans les dispositifs nanométriques, la capacité à mesurer se limite souvent à quelques centaines d'attofarads. De plus, le câblage des réfrigérateurs à dilution introduit des longueurs de câbles dont la capacité parasite est de l'ordre du nanofarad, ce qui nuit à de telles mesures. Nous présentons ici un circuit en pont de capacité très sensible, conçu pour effectuer des mesures à l'intérieur d'un réfrigérateur à dilution avec une résolution de l'ordre de l'attofarad. Nous démontrons l'utilité de notre circuit en effectuant des mesures C-V divisées (split C-V) sur des nanostructures FD-SOI (silicium sur isolant entièrement déplété) de 28 nm à 20 mK. Des résultats préliminaires montrent également que le blocage de Coulomb est observable avec cette méthode, une première étape vers la lecture de charge à l'aide d'un pont de capacité.
Étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke
Directeur : Michel Pioro-Ladrière
Réglage rapide de boîtes quantiques à l'aide de FPGA
Les qubits de spin constituent une architecture prometteuse pour les ordinateurs quantiques en raison de leur long temps de cohérence et de leur compatibilité avec les techniques de fabrication industrielles. Toutefois, des problèmes d'extensibilité surviennent lorsqu'on tente de créer un système comportant de nombreux qubits. Plus il y a de qubits, plus il faut de temps pour initialiser le système dans la configuration souhaitée et plus il faut d'équipement pour contrôler chaque boîte quantique. Nous présentons donc un système de contrôle de qubits extensible qui répond à ces deux problèmes. En utilisant un système fondé sur un réseau de portes programmables in situ (FPGA), il est possible d'accélérer grandement la caractérisation des dispositifs tout en demeurant relativement compact. Le système FPGA peut être plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les appareils habituels, ce qui permet des mesures en temps réel.
Étudiant au baccalauréat, Université de Sherbrooke
Directrice : Eva Dupont-Ferrier
Couplage spin-photon de donneurs dans le silicium
Grâce à leur temps de cohérence record et à la possibilité de les contrôler avec précision, les qubits de spin de donneurs dans le silicium sont des candidats très prometteurs pour le stockage à long terme de l'information quantique à l'état solide. En particulier, il a récemment été démontré que les états de spin peuvent être contrôlés électriquement par l'intermédiaire de degrés de liberté de dipôle électrique : cette nouvelle architecture « entièrement électrique » est appelée qubit flip-flop.
D'autre part, les résonateurs supraconducteurs sont des systèmes intrinsèquement peu dissipatifs, ce qui en fait un ingrédient idéal pour le couplage à longue distance de deux qubits. De plus, le fait qu'ils puissent être fabriqués à l'aide de techniques de fabrication de circuits intégrés les rend intéressants pour le passage à un grand nombre de qubits.
Combiner ces deux entités en un système hybride permettrait de tirer le meilleur des deux mondes : une mémoire quantique durable encodée dans l'état de spin et une plateforme extensible pour la manipulation électrique et le couplage à longue distance au moyen de circuits supraconducteurs. L'objectif de ce projet est d'étudier et d'optimiser le couplage entre un spin unique dans le silicium et un photon micro-onde dans un résonateur supraconducteur 2D en NbN. Un effort particulier est consacré à garder la conception aussi minimaliste que possible afin de relever le défi de l'extensibilité du dispositif quantique.
Doctorant, Université McGill
Directrice : Lilian Childress
Sonder un nanoaimant contrôlé par transfert de spin à l'aide d'un centre azote-lacune unique dans le diamant
Nous appliquons des couples de transfert de spin (ST) à des nanofils magnétiques afin d'ajuster efficacement l'amortissement de la dynamique ferromagnétique, que nous mesurons par la lecture locale du champ de fuite à l'aide d'un centre azote-lacune unique dans le diamant. En réduisant la géométrie du nanofil, nous pouvons augmenter l'écart en fréquence des modes d'ondes de spin stationnaires jusqu'à ce qu'ils soient résolus, ce qui permettrait de détecter des effets ST dépendant du mode; cela exige toutefois de nouvelles techniques pour structurer ces dispositifs de plus en plus petits sur le diamant. Dans cette affiche, nous présentons des données préliminaires caractérisant un procédé soustractif par usinage ionique à l'argon permettant de structurer des nanostructures magnétiques sur le diamant, et nous discutons des conséquences pour la lecture des centres NV.
Doctorant, Université de Sherbrooke
Directeurs : Bertrand Reulet et Guillaume Gervais, Université McGill
Rotation de Faraday micro-onde quantifiée
Nous présentons la première mesure quantitative de la rotation de Faraday micro-onde issue du mouvement cyclotron des électrons dans une hétérostructure semiconductrice de basse dimension. Comme pour l'effet Hall, on observe un effet Faraday classique continu ainsi qu'un effet Faraday quantifié. La grande mobilité électronique de notre hétérostructure GaAs/AlGaAs permet d'atteindre une importante rotation de Faraday en un seul passage, θF≈45° (≈0,8 rad), sous un champ magnétique modeste de B≈100 mT. En régime quantique, la rotation de Faraday θF est naturellement quantifiée en unités de la constante de structure fine α≈1/137, ce qui fournit une prescription géométrique pour la constante de structure fine. Le confinement électromagnétique mène à une rotation de Faraday quantifiée en unités d'un α* effectif, dont la valeur est de l'ordre de sa valeur dans le vide.
Étudiant à la maîtrise, Université McGill
Directrice : Lilian Childress
Vers le couplage de centres colorés du diamant à des microcavités à fibre
Les centres colorés du diamant sont des interfaces spin-photon intéressantes pour les technologies quantiques de demain. Le centre azote-lacune (NV-), « porte-étendard » du domaine, est une plateforme éprouvée, mais il souffre d'une faible probabilité d'émission (~3 %) de photons dans la raie à zéro phonon (ZPL), nécessaire aux protocoles d'intrication à distance [1,2]. Une solution de contournement possible tire parti d'un couplage résonant à une cavité optique pour améliorer l'efficacité d'émission [3]. De plus, les centres germanium-lacune (GeV) peuvent être utilisés pour leur taux d'émission de photons plus élevé dans la ZPL et leur élargissement inhomogène plus faible [4]. Nous présentons nos efforts en cours pour coupler des centres NV- et GeV à une microcavité à fibre configurée en microscope à balayage. Les finesses de cavité élevées (> 30 000) obtenues grâce à des membranes de diamant à ultrafaibles pertes ouvrent la voie à l'observation de l'amplification de Purcell de transitions de spin individuelles, mais imposent aussi des exigences rigoureuses quant à la stabilisation de la cavité.
[1] E. Hogan et al., Nature 466 (2010)
[2] N. Kalb et al., Science 356 (2017)
[3] D. Riedel et al., PRX 7 (2017)
[4] P. Siyushev el a., PRB 96 (2017)