FD-SOI five-gate (5G) qubit MOS devices are electrically characterized in linear regime down to deep cryogenic temperatures. The Lambert-W function is successfully used for the modelling of such 5G MOS devices from subthreshold regime to strong inversion. Its applicability is demonstrated down to deep cryogenic temperatures. The 5G device is modeled as a series of five independent transistors: the “active” one, that directly controls the current, and the “external” ones, that act as access resistances. The Lambert-W function enables to accurately reconstruct the inversion charge and the active channel resistance from weak to strong inversion. This approach allows reproducing the drain current characteristic avoiding the evaluation of the mobility attenuation factors. The main device parameters are extracted versus temperature. Furthermore, the role of different scattering mechanisms has been investigated, underlying the impact of defects for the gates in proximity of source and drain. The experimental characterizations have been completed with some Poisson-solver based simulations, carried out down to cryogenic temperatures. In this regime, Maxwell-Boltzmann carrier statistic has been replaced by an analytical expression of the Fermi-Dirac function.

Semiconductor spin qubits based on spin-orbit states are responsive to electric field excitation allowing for practical, fast and potentially scalable qubit control. Spin-electric susceptibility, however, renders these qubits generally vulnerable to electrical noise, which limits their coherence time. Here we report on a spin-orbit qubit consisting of a single hole electrostatically confined in a natural silicon metal-oxide-semiconductor device. By varying the magnetic field orientation, we reveal the existence of operation sweet spots where the impact of charge noise is minimized while preserving an efficient electric-dipole spin control. We correspondingly observe an extension of the Hahn-echo coherence time up to 88 $μ$s, exceeding by an order of magnitude the best reported values for hole-spin qubits, and approaching the state-of-the-art for electron spin qubits with synthetic spin-orbit coupling in isotopically-purified silicon. This finding largely enhances the prospects of silicon-based hole spin qubits for scalable quantum information processing.

Owing to ever increasing gate fidelities and to a potential transferability to industrial CMOS technology, silicon spin qubits have become a compelling option in the strive for quantum computation. In a scalable architecture, each spin qubit will have to be finely tuned and its operating conditions accurately determined. In this prospect, spectroscopic tools compatible with a scalable device layout are of primary importance. Here we report a two-tone spectroscopy technique providing access to the spin-dependent energy-level spectrum of a hole double quantum dot defined in a split-gate silicon device. A first GHz-frequency tone drives electric-dipole spin resonance enabled by the valence-band spin-orbit coupling. A second lower-frequency tone (approximately 500 MHz) allows for dispersive readout via rf-gate reflectometry. We compare the measured dispersive response to the linear response calculated in an extended Jaynes-Cummings model and we obtain characteristic parameters such as g-factors and tunnel/spin-orbit couplings for both even and odd occupation.

This paper presents an electrical characterization and a compact modeling of FD-SOI four-gate qubit MOS devices, carried out at room temperature and in linear regime. The main figures of merit are extracted from average drain current curves using Y – function method. Poisson solver-based simulations are performed to interpret the experimental data, in particular the influence among gates and the effective channel length modulation. Furthermore, a drain current matching analysis between gates is conducted, and the main variability parameters are extracted. Our results, despite the unconventional device engineering, show a variability performance comparable to the state-of-the-art 28nm FD-SOI technology. Finally, a Lambert function based model is developed to validate both the electrical and statistical characterization. It is assumed, according to the experimental data, that the four gate device can be modeled as the series of four identical and independent transistors. Including the contribution of source and drain access resistance it has been possible to reproduce the device behavior at high external gates voltages.

Semiconductor-based architectures where quantum information is encoded in the spin degrees of freedom of electrons or holes form an appealing platform for quantum computing. Here we present the current state-of-the-art and discuss prospects and challenges at scientific and technological level.

FD-SOI five-gate (5G) qubit MOS devices are electrically characterized in linear regime down to deep cryogenic temperatures. The Lambert-W function is successfully used for the modelling of such 5G MOS devices from subthreshold regime to strong inversion. Its applicability is demonstrated down to 20 K. The 5G device is modeled as a series of five independent transistors: the "active" one, that directly controls the current, and the "external" ones, that act as access resistances. The Lambert-W function enables to accurately determine the inversion charge and the active channel resistance from weak to strong inversion. This approach allows reconstructing the drain current characteristic avoiding the evaluation of the mobility attenuation factors. The main device parameters are extracted versus temperature. Finally, the role of different scattering mechanisms has been investigated, underlying the impact of neutral defects for the gates in proximity of source and drain.

We present recent progress in the implementation of scalable schemes for spin qubit readout in one dimensional quantum registers based on fully-depleted silicon-on-insulator (FDSOI) technology. We compare two schemes both based on rf gate reflectometry. The first one, denoted as dispersive readout, minimizes the device overhead thereby facilitating scale-up to large qubit registers. The second one, denoted as charge-sensing readout, requires additional readout components but is less sensitive to the strength of the interdot coupling facilitating operation in the few-electron regime. We demonstrate single-shot charge sensing with a fidelity of 97% in 5 μs. Finally, we propose a scalable device architecture for linear qubit registers relying on charge-sensing readout.

We discuss the status, challenges and perspectives of "Quantum CAD" for the design and exploration of spin qubits. We highlight the similarities and differences with conventional TCAD for micro-electronics, and focus on design, physics and variability of silicon-on-insulator qubits as an illustration.

We report the efforts, challenges and perspectives dedicated towards building a reliable spin read-out for Si spin qubit systems. We review several strategies that are pursued in the semiconductor quantum circuit community. We discuss their pros and cons with respect to their performance (speed and fidelity), their integration potential and their footprint. We then address the envisioned architecture to read-out spin qubits at large scale.

Silicon spin qubits have emerged as a promising path to large-scale quantum processors. In this prospect, the development of scalable qubit readout schemes involving a minimal device overhead is a compelling step. Here we report the implementation of gate-coupled rf reflectometry for the dispersive readout of a fully functional spin qubit device. We use a p-type double-gate transistor made using industry-standard silicon technology. The first gate confines a hole quantum dot encoding the spin qubit, the second one a helper dot enabling readout. The qubit state is measured through the phase response of a lumped-element resonator to spin-selective interdot tunneling. The demonstrated qubit readout scheme requires no coupling to a Fermi reservoir, thereby offering a compact and potentially scalable solution whose operation may be extended above 1 K.

We report here the first measurement of the sound-like dispersion of density waves propagating on top of a correlated photons fluid generated by the third order Kerr non-linearity in a hot rubidium atomic vapor.

Contrôle de la charge et du spin des électrons et des trous dans les arrays de points quantiques en silicium Cette thèse de doctorat traite de l’étude expérimentale de la dynamique de charge et de spin dans des réseaux quantiques à base de silicium, confinant des électrons ou des trous.Ces travaux ont été effectués en collaboration avec le CEA-LETI où les échantillons sont réalisés en utilisant une plateforme de fabrication de niveau industriel à partir de substrats SOI (Silicon-On-Insulator) de 300 mm. Dans la technologie employée, les boîtes quantiques sont confinées à l’intérieur de nanofils de Silicium gravés dans le SOI. Lacompatibilité de ces dispositifs quantiques avec les lignes de production de la microélectronique pourrait jouer un rôle clé dans le développement d’une plate-forme de calcul quantique à grande échelle basée sur des bit quantiques (qubits) semi-conducteurs.Dans cette perspective, le développement de schémas de lecture et de manipulation efficaces et compatibles avec le passage à l’échelle est une étape cruciale.Idéalement, on voudrait manipuler le spin d’un électron, ou d’un trou, par une simplemodulation de la tension d’une grille, et de lire l’état de spin par une technique de réflectométrie à la radiofréquence, qui peut être réalisé en connectant une grille, ou un contacte Ohmic, à un résonateur LC.Une telle idée a a motivé plusieurs expériences effectuées dans le cadre de ce travail de thèse.Une première expérience a été réalisée avec un réseau de 2×3 boîtes quantiques detype n. Elle compare deux schémas de lecture basés sur la réflectométrie de grille. Le premier, basé sur un mécanisme de lecture dispersive, ne requiert aucune grille de contrôle additionnel, facilitant ainsi la mise à l’échelle de grands réseaux de qubit. Le deuxième, basé sur une lecture à détection de charge, ce qui comporte des grilles de contrôle additionnels. En revanche, ce deuxième schéma est moins sensible aux niveaux de couplage entre boîtes quantiques voisines.Comme montré dans cette thèse, il permet aussi la détection rapide de la charge, une condition nécessaire pour la lecture en mode « single-shot » des qubits.Concernant la manipulation de spin, j’ai pu mesurer des signatures de la résonance de spin d’électrons induites par une modulation de champs électrique. Cependant, cette interaction spin-orbit s’est révélé trop faible pour pour permettre l’observation des oscillations de Rabi.Les trous dans le Silicium possèdent un couplage spin-orbit intrinsèquement beaucoupplus fort que celui des électrons et sont mieux adaptés à une manipulation de spin par des champs électriques. Je présente une étude d’un dispositif à six grilles de type p, démontrant une lecture single-shot indépendante et simultanée des états de charge de deux boîtes quantiques définies par les deux grilles centrales.Une extension de la même technique de lecture est appliquée à un autre dispositif de type p à quatre grilles dans lequel nous avons pu démontrer le contrôle électrique cohérent d’un qubit basé sur un trou unique et des temps de cohérence proches de la centaine de microsecondes, largement au-delà de l’état de l’art.Dans le bût de minimiser le nombre de grilles de contrôle et lecture, nous avons démontré la possibilité de réaliser une brique élémentaire constituée par une doubleboîte quantique définie dans un dispositif de type p avec deux grilles. La première boîte joue le rôle du qubit de spin et la deuxième sert à la lecture du qubit par réflectométrie dispersive. Le schéma de lecture utilisé ne nécessite aucun couplage avec des réservoirs de Fermi, offrant ainsi une solution compacte et potentiellement compatible avec un passage à l’échelle.En conclusion, ce travail de thèse a été focalisé sur l’exploration de différentes solutions possibles pour la lecture de qubit de spin dans des dispositifs SOI à nanofil de Silicium contenant un réseau linéaire ou bilinéaire de boîtes quantiques. En particulier, je me suis intéressé à la problématique de rendre ces solutions compatibles avec une future intégration à large échelle.