Nouveaux qubits de spin pour le calcul quantique // Novel spin qubits for quantum computing

La mémoire vive quantique (QRAM) est une ressource clé de l’informatique quantique, présente dans de nombreuses
propositions théoriques, mais qui n’a jamais fait l’objet d’une démonstration expérimentale. Une QRAM est une mémoire quantique dans laquelle
il est possible de lire ou d’écrire des informations quantiques dans une superposition de cellules de mémoire [1]. Un tel dispositif
constitue un outil puissant pour la mise en œuvre d’une multitude d’algorithmes quantiques, notamment l’algorithme de recherche de Grover
[2, 3], la chimie quantique [4, 5], la cryptographie quantique [6] et l’apprentissage automatique quantique
[7], et est considéré par beaucoup comme essentiel pour un futur ordinateur quantique. Sa réalisation s’est également avérée difficile
en raison de la complexité de la mise en œuvre de l’adressage quantique du stockage quantique [8, 9].
Ce projet de thèse s’inscrira dans le cadre d’un projet plus large en cours visant à développer une QRAM à partir de défauts de spin paramagnétiques individuels
à l’état solide couplés à des dispositifs supraconducteurs. L’objectif principal de ce projet est
d’étudier de nouveaux systèmes de spin et de nouvelles conceptions de dispositifs en vue de la réalisation d’une QRAM évolutive.
De nouvelles espèces de spin à rapport gyromagnétique élevé permettront d’atteindre de nouveaux régimes de couplage spin-circuit qui étaient
jusqu’alors inaccessibles. L’utilisation du silicium comme substrat permettra aux futurs dispositifs d’atteindre des
facteurs de qualité plus élevés et rendra possibles des architectures avancées en tirant parti de la maturité de la
fabrication des dispositifs en silicium. Des noyaux à spin élevé, tels que le 167Er, seront également étudiés, ce qui permettra de mener des expériences avec
des qudits à spin nucléaire à haute cohérence. Ces développements repousseront les frontières d’une nouvelle plateforme hybride
de dispositifs quantiques avec des possibilités excitantes à la fois pour des architectures de processeur quantique futures et pour des expériences de physique fondamentale.


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Quantum RAM (QRAM) is a key quantum computing resource featuring in many theoretical
proposals that has never been demonstrated in experiment. A QRAM is a quantum memory in which
one can read or write quantum information to a superposition of memory cells [1]. Such a device
is powerful as a tool for implementing a plethora of quantum algorithms, including Grover’s search
algorithm [2, 3], quantum chemistry [4, 5], quantum cryptography [6] and quantum machine learning
[7], and is regarded by many as essential for a future quantum computer. It has also proved difficult
to realise due to the complexity of implementing the quantum addressing of quantum storage [8, 9].
This PhD project will fit into a wider ongoing project to develop a QRAM using individual solid
state paramagnetic spin defects coupled to superconducting devices. The core aim of this project is
to investigate novel spin systems and device designs for the purposes of realising a scalable QRAM.
Novel high-gyromagnetic-ratio spin species will reach new regimes of spin-circuit coupling that were
previously inaccessible. The use of silicon as a substrate will allow future devices to reach higher
device quality factors and enable advanced device architectures by leveraging the maturity of silicon
device fabrication. High-spin nuclei such as 167Er will also be investigated, enabling experiments with
high-coherence nuclear spin qudits. These developments will expand the frontiers of a new hybrid
quantum device platform with exciting possibilities both for future quantum information processing
architectures and fundamental physics experiments
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Groupe Quantronique
Directeur de thèse : FLURIN Emmanuel
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/GQ

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé