Abstract:
Single spins in solids are good candidates for implementing quantum bits for quantum information processing thanks to their long coherence times. However, being individual atomic-scale quantum objects, they are difficult to address and to entangle with one another. This thesis work explores two distinct but related approaches for manipulating and detecting single spins, both involving comparable hybrid circuit quantum electrodynamics platforms operated at millikelvin temperatures. In the first approach, single electron spin resonance (ESR) is demonstrated by spin fluorescence detection : a microwave photon counter is used to detect the photon emitted by an excited spin. The spins are paramagnetic erbium ions in a scheelite crystal, and are coupled magnetically to a high-quality factor planar superconducting resonator. They are detected individually with a signal-to-noise ratio of 1.9 in a one second-integration time. The fluorescence signal shows anti-bunching, proving that it comes from individual emitters. Coherence times up to 3 ms are measured, limited by the engineered spin radiative lifetime. This single-spin quantum control experiment also opens the route to new applications of ESR, in particular for microscopic object characterization. In the second approach, the detection of spins is based on leveraging the charge degree of freedom of hole spins and their strong intrinsic spin-orbit interaction. We demonstrate a compact novel platform made of electrostatically defined quantum dots in AlGaAs/GaAs heterostructure, filled with hole spins by optical illumination. The spins are coupled electrically to a superconducting resonator for probing their charge and spin states. Using this resonator as a dispersive readout, we show that single charge tunneling events in the dots can be detected after illumination. This represents a critical step towards addressing single hole spin in a semiconductor. Overall, the two methods reported in this thesis open new avenues for the development of quantum sensing and quantum computing applications.
Keywords: Quantum circuit, Spin, Quantum dot, Single photon counter, Electron spin resonance.
Adressage de spins électroniques individuels par un résonateur supraconducteur micro-ondes
Résumé :
Les spins uniques dans les solides sont de bons candidats pour la mise en œuvre de bits quantiques pour le traitement de l’information quantique grâce à leurs longs temps de cohérence. Cependant, en tant qu’objets quantiques individuels à l’échelle atomique, ils sont difficiles à traiter et à enchevêtrer les uns avec les autres. Ce travail de thèse explore deux approches distinctes mais liées pour manipuler et détecter des spins uniques ; toutes deux utilisent des circuits quantiques hybrides fonctionnant à des températures de l’ordre du millikelvin. Dans la première approche, la résonance paramagnétique électronique (RPE) de spins individuels est démontrée en détectant leur fluorescence : un compteur de photons micro-onde détecte le photon émis par un spin excité. Les spins utilisés sont des ions paramagnétiques d’erbium dans un cristal de scheelite, et sont couplés magnétiquement à un résonateur planaire supraconducteur de facteur de qualité élevé. Ils sont détectés individuellement avec un rapport signal/bruit de 1,9 en une seconde. Le signal de fluorescence presente de l’antibunching (dégroupement), prouvant ainsi qu’il provient d’émetteurs individuels. Des temps de cohérence allant jusqu’à 3 ms sont mesurés, limités par le temps de vie radiatif du spin. Cette expérience de contrôle quantique d’un spin unique ouvre également la voie à de nouvelles applications de RPE, notamment pour la caractérisation d’objets microscopiques. Dans la seconde approche, la détection des spins est basée sur l’exploitation du degré de liberté de charge des spins de trous et de leur forte interaction spin-orbite intrinsèque. Nous démontrons une nouvelle plateforme compacte composée de boîtes quantiques définis électrostatiquement dans l’AsGa, et pré-remplis de spins de trous par illumination dans le domaine optique ; les spins sont couplés électriquement à un résonateur supraconducteur pour sonder leurs états de charge et de spin. En utilisant ce résonateur en régime de lecture dispersive, nous montrons que des sauts de charge unique dans les boîtes quantiques peuvent être détectées après l’illumination. Il s’agit d’une étape cruciale dans l’étude du spin d’un trou unique dans un semi-conducteur. Dans l’ensemble, les deux méthodes présentées dans cette thèse ouvrent de nouvelles voies pour le développement des capteurs quantiques et du traitement quantique de l’information.
Mots-clés : Circuit quantique, Spin, Boite quantique, Compteur de photon unique, Resonance paramagnétique électronique.