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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Towards quantum computing with nuclear spins

Spécialité : PHYSIQUE / Physique de la matière condensée

Contact : BERTET Patrice,
e-Mail : patrice.bertet@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 55 29
Laboratoire : SPEC/GQ

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-4 mois
Date limite de constitution de dossier : 27/04/2018

Résumé :
Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à utiliser des spins nucléaires dans les solides (qui peuvent avoir des temps de cohérence ultra-longs pouvant aller jusqu'à plusieurs heures) comme bits quantiques pour le calcul quantique. Les spins seront mesurés par couplage avec des circuits supraconducteurs.

Sujet détaillé :
Les spins nucléaires dans les solides sont des systèmes quantiques très bien protégés de leur environnement, et peuvent avoir des temps de cohérence exceptionnellement longs allant jusqu’à plusieurs heures. Il est donc tentant de les utiliser comme support d’information quantique dans un processeur quantique. En revanche il reste très difficile de lire l’état d’un seul spin nucléaire, et plus encore de coupler deux spins nucléaires distants l’un de l’autre, ce qui est nécessaire pour les opérations de logique quantique.
Notre goupe est engagé dans un projet de recherche de long terme (en collaboration avec un industriel et avec le support de l'ERC) qui vise à utiliser des circuits supraconducteurs pour mesurer et interfacer des qubits de spin nucléaire. Dans un premier temps, nous souhaitons démontrer qu’il est possible de mesurer et de manipuler l’état quantique d’un unique spin nucléaire, en utilisant son couplage hyperfin à un spin électronique lui-même couplé à un résonateur supraconducteur. Cette stratégie s’applique à une variété de systèmes physiques, mais nous travaillons en particulier sur les centres NV du diamant, les donneurs dans le silicium, et les ions Erbium dans des matrices d’orthosilicate. Pour cela, nous devons être capables de détecter un unique spin électronique, en un temps de mesure inférieur à une seconde.
Le stage s’appuie sur des résultats récents de notre équipe, qui ont démontré la détection d’un tout petit nombre de spins électroniques, avec une sensibilité 5 ordres de grandeur supérieure à l’état de l’art [1,2,3]. Notre détecteur a dès à présent démontré une sensibilité de 65 spin/\sqrt{Hz} en mesurant des donneurs dans le silicium ; il s’agit donc de gagner encore deux ordres de grandeur. Le but du stage sera d’obtenir ce gain en utilisant un autre système : les ions Erbium en matrice de YSO. Ces ions ont un moment magnétique 7 fois plus élevé que les donneurs dans le silicium, ce qui devrait automatiquement amener la sensibilité du détecteur sous 1 spin/\sqrt{Hz}, permettant d’apporter la première démonstration de détection micro-onde d’un unique spin.
Techniques utilisées au cours du stage :
-Techniques de salle blanche (fabrication d'échantillons) - Mesures micro-ondes très bas bruit - Très basses températures (mK)

Mots clés : Physique et information quantique

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