Qubit: la physique complexe des trous
Publié par Adrien le 31/10/2019 à 14:00
Source: CEA
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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) 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 (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité...) de deux états quantiques. Ces états peuvent par exemple être ceux du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) placé dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...) (up et down). Le CEA fabrique de tels qubits en piégeant des électrons sous la grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille de contrôle est un...) de transistors silicium-sur-isolant (SOI).

Dans ces qubits, le spin est manipulé en modulant le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique dans lequel est plongé le dispositif. Une tâche délicate à l'échelle d'un qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage...) 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 (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) 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 (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) 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 (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des trous.

Selon leurs travaux, le silicium constitue, malgré son faible couplage spin-orbite, un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de...) pour les qubits de trous en raison de ses propriétés électroniques très anisotropes, la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des trous dépendant très fortement de la direction de leur mouvement dans le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique...).

Références

Simple model for electrical hole spin manipulation in semiconductor quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus...) dots: Impact of dot material and orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;). Physical Review B
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