Dissertations / Theses: 'Spin qubit'

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Wernz, Johannes. "Dekohärenz gekoppelter Spin- und Qubit-Systeme." [S.l. : s.n.], 2003. http://www.bsz-bw.de/cgi-bin/xvms.cgi?SWB10761312.

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Jadot, Baptiste. "Coherent long-range transport of entangled electron spins." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALY007.

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Abstract:

L’informatique quantique est un domaine d’intérêt croissant, notamment à Grenoble avec une concentration exceptionnelle de chercheurs et groupes industriels impliqués dans ce domaine. L’objectif global est de développer un nouveau type de nano-processeur, basé sur des propriétés quantiques. Son bloc élémentaire est un système quantique à deux niveaux (le qubit), dans notre cas le spin d'électrons piégés dans une boîte quantique.Dans la quête d’une architecture à large échelle, un ordinateur quantique en réseau offre un chemin naturel vers l’évolutivité. En effet, séparer le calcul dans des cœurs quantiques interconnectés par des médiateurs quantiques cohérents simplifierai grandement les contraintes d’adressabilité. Ces liens quantiques devraient offrir une connexion rapide et cohérente entre des cœurs arbitraires, permettant de créer un état intriqué utilisant tout le circuit quantique. Dans les circuits quantiques à base de semiconducteurs, l’intrication entre plus proches voisins a déjà été démontrée, et plusieurs méthodes ont été proposées pour réaliser un couplage à distance. Parmi elles, une implémentation possible de ce médiateur quantique consiste à préparer un état intriqué et transférer individuellement des spins électroniques à travers la structure, à condition que ce transfert préserve l’intrication.Dans cette thèse, nous démontrons le transfert rapide et cohérent de qubits de spin électronique à travers un long canal de 6.5 μm, dans une hétérostructure GaAs/AlGaAs. En utilisant le potentiel se propageant avec par une onde acoustique de surface, nous transférons séquentiellement deux spins électroniques formant initialement un état singulet. Durant le déplacement, chaque spin subit une rotation cohérente due à l’interaction spin-orbite, sur une durée plus courte que tout processus de décohérence. En variant le temps de séparation des électrons et le champ magnétique appliqué, nous observons des interférences quantiques qui prouvent la nature cohérente de l’état initial et de la procédure de transfert.Nous montrons que cette expérience est analogue à une mesure de Bell, et nous permet de quantifier l’intrication entre les deux spins électroniques lorsqu’ils sont séparés, démontrant que ce déplacement rapide et à longue portée est une procédure efficace pour propager une intrication quantique au sein des futures structures à large échelle
Quantum computing is a field of growing interest, especially in Grenoble with an exceptional concentration of both research and industrials groups implicated in this field. The global aim is to develop a new kind of nano-processors, based on quantum properties. Its building brick is a two-level quantum system, in our case the spin of electrons trapped in a quantum dot.In this quest for a large-scale architecture, networked quantum computers offer a natural path towards scalability. Indeed, separating the computational task among quantum core units interconnected via a coherent quantum mediator would greatly simplify the addressability challenges. These quantum links should be able to coherently couple arbitrary nodes on fast timescales, in order to share entanglement across the whole quantum circuit. In semiconductor quantum circuits, nearest neighbor entanglement has already been demonstrated, and several schemes exist to realize long-range coupling. Among them, a possible implementation of this quantum mediator would be to prepare an entangled state and shuttle individual electron spins across the structure, provided that this transport preserves the entanglement.In this work, we demonstrate the fast and coherent transport of electron spin qubits across a 6.5 μm long channel, in a GaAs/AlGaAs laterally defined nanostructure. Using the moving potential induced by a propagating surface acoustic wave, we send sequentially two electron spins initially prepared in a spin singlet state. During its displacement, each spin experiences a coherent rotation due to spin-orbit interaction, over timescales shorter than any decoherence process. By varying the electron separation time and the external magnetic field, we observe quantum interferences which prove the coherent nature of both the initial spin state and the transfer procedure.We show that this experiment is analogous to a Bell measurement, allowing us to quantify the entanglement between the two electron spins when they are separated, and proving this fast and long-range qubit displacement is an efficient procedure to share entanglement across future large-scale structures

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Conway, Lamb Ian. "Cryogenic Control Beyond 100 Qubits." Thesis, The University of Sydney, 2016. http://hdl.handle.net/2123/17046.

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Abstract:

Quantum computation has been a major focus of research in the past two decades, with recent experiments demonstrating basic algorithms on small numbers of qubits. A large-scale universal quantum computer would have a profound impact on science and technology, providing a solution to several problems intractable for classical computers. To realise such a machine, today's small experiments must be scaled up, and a system must be built which provides control and measurement of many hundreds of qubits. A device of this scale is challenging: qubits are highly sensitive to their environment, and sophisticated isolation techniques are required to preserve the qubits' fragile states. Solid-state qubits require deep-cryogenic cooling to suppress thermal excitations. Yet current state-of-the-art experiments use room-temperature electronics which are electrically connected to the qubits. This thesis investigates various scalable technologies and techniques which can be used to control quantum systems. With the requirements for semiconductor spin-qubits in mind, several custom electronic systems, to provide quantum control from deep cryogenic temperatures, are designed and measured. A system architecture is proposed for quantum control, providing a scalable approach to executing quantum algorithms on a large number of qubits. Control of a gallium arsenide qubit is demonstrated using a cryogenically operated FPGA driving custom gallium arsenide switches. The cryogenic performance of a commercial FPGA is measured, as the main logic processor in a cryogenic quantum control system, and digital-to-analog converters are analysed during cryogenic operation. Recent work towards a 100-qubit cryogenic control system is shown, including the design of interconnect solutions and multiplexing circuitry. With qubit fidelity over the fault-tolerant threshold for certain error correcting codes, accompanying control platforms will play a key role in the development of a scalable quantum machine.

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Ge, Ling. "Theory and Modelling of Spin-qubit Interactions in Nanotubes and Fullerenes." Thesis, University of Oxford, 2008. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.504351.

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Perez, Barraza Julia Isabel. "Ultrasmall silicon quantum dots for the realization of a spin qubit." Thesis, University of Cambridge, 2014. https://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.708003.

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Schauer, Floyd [Verfasser], and Dominique [Akademischer Betreuer] Bougeard. "Realizing spin qubits in 28Si/SiGe: heterostructure gating, qubit decoherence and asymmetric charge sensing / Floyd Schauer ; Betreuer: Dominique Bougeard." Regensburg : Universitätsbibliothek Regensburg, 2021. http://d-nb.info/1225935849/34.

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Habgood, Matthew. "Correlated electron models for spin-qubit interactions in fullerenes, nanotubes and nanowires." Thesis, University of Oxford, 2009. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.496903.

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Cerfontaine, Pascal [Verfasser], Jörg Hendrik [Akademischer Betreuer] Bluhm, and David P. [Akademischer Betreuer] DiVincenzo. "High-fidelity single- and two-qubit gates for two-electron spin qubits / Pascal Cerfontaine ; Jörg Hendrik Bluhm, David P. DiVincenzo." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2019. http://d-nb.info/1211487806/34.

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Medford, James Redding. "Spin Qubits in Double and Triple Quantum Dots." Thesis, Harvard University, 2013. http://dissertations.umi.com/gsas.harvard:10766.

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Abstract:

This thesis presents research on the initialization, control, and readout of electron spin states in gate defined GaAs quantum dots. The first three experiments were performed with Singlet-Triplet spin qubits in double quantum dots, while the remaining two experiments were performed with an Exchange-Only spin qubit in a triple quantum dot.
Physics

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Kuhlen, Sebastian [Verfasser]. "Spinkohärenz und Spindynamik in Zinkoxid : vom donatorgebundenen Exziton zum Spin-Qubit / Sebastian Kuhlen." Aachen : Hochschulbibliothek der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 2014. http://d-nb.info/1056993995/34.

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Ares, Natalia. "Electronic transport and spin control in SiGe self-assembled quantum dots." Thesis, Grenoble, 2013. http://www.theses.fr/2013GRENY060/document.

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Abstract:

La mécanique quantique affiche déjà toute son étrangeté en considérant l’équation de Schrödingerdans un puits de potentiel à une dimension. L’effet tunnel qui en résulte, en est un exemple frappant.La possibilité de récréer cette situation dans un système matériel est un enjeu excitant et un grandpas vers le contrôle des effets quantiques.Le confinement spatial des spins électroniques a été suggéré comme une approche possible pour laréalisation d’un ordinateur quantique. Chaque spin formant un système à deux niveaux pouvant coderune bit élémentaire pour l’information quantique (spin qubit). Cette proposition par Loss etDiVincenzo a contribué à l’ouverture d’un domaine de recherche important dénommé spintroniquequantique. L’intérêt des qubits de spin s’appuie sur le fait que les états de spin ont des temps decohérence beaucoup plus long que les qubits de charge (états orbitaux).Un potentiel de confinement de spin peut être créé de différentes façons, comme par exemple enutilisant l’alignement des bandes d’énergies de semi-conducteurs de différentes natures. Cependant,les dimensions spatiales du système obtenu doivent toujours être inférieures à la longueur decohérence de phase des quasi-particules considérées afin de préserver leur comportement quantique.Jusqu’à présent, la plupart des progrès ont été réalisés en utilisant des hétérostructures semiconductricesà base d’arséniure de Gallium(GaAs). Dans de tels systèmes, lemouvement des porteursde charges est limité à un plan bidimensionnel et le confinement latéral peut être obtenu par destechniques de lithographie. De cette façon, des systèmes quasi-zéro-dimensionnels dont les étatsélectroniques sont parfaitement quantifiés (boîtes quantiques), sont réalisés.Diverses techniques utilisant des signaux hautes fréquences ont permis de manipuler et lire l’état despin de tels boîtes quantiques de GaAs et, il y a quelques années, les premiers qubits de spin ont étédémontrés. Cependant, ces systèmes ont montré des temps de cohérence relativement courts enraison de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. En dépit de progrès significatifs sur lecontrôle de la polarisation, ce problème n’est toujours pas résolu.Au cours de ces dernières années, un effort croissant s’est donc concentré sur des systèmes à base dematériaux alternatifs pour lesquels l’interaction hyperfine est naturellement absente ou rendue trèsfaible par des techniques de purification. Même si le Silicium, qui est le matériau de base enmicroélectronique, remplit cette condition, il souffre d’une faible mobilité par rapport aux semiconducteursIII-V, ce qui pose problème pour la spintronique quantique. Les structures à base Silicium-Germanium (SiGe) offrent un moyen de contourner ce problème tout en gardant un matériaucompatible avec les procédés de fabrication standards.Durant mon travail de thèse, je me suis concentrée principalement sur l’étude des propriétésélectroniques d’îlots auto-assemblés (nanocristaux) de SiGe. Le manuscrit de thèse qui relate lesprincipaux aspects de cette étude est organisé en six chapitres. Dans le premier chapitre, je décris lesprincipaux concepts de la croissance cristalline d’îlots auto-assemblés de SiGe ainsi que les propriétésdu potentiel de confinement qu’ils définissent. Le chapitre 2 est consacré aux principes du transportélectronique dans de telles structures. Le chapitre 3 traite de la modulation électrique du facteur deLandé (g) des trous confinés dans les îlots en vu de la manipulation rapide des états de spin. Dans lechapitre 4, je présente les résultats théoriques et expérimentaux relatifs à la sélectivité en spin dansles nanocristaux de SiGe. Le chapitre 5 décrit les résultats sur la réalisation d’une pompe électroniqueobtenue à partir de nanofils d’InAs/InP. Enfin, le chapitre 6montre les progrès technologiques que j’aiobtenus vers la réalisation et l´étude de dispositifs couplés à base de nanocristaux de SiGe
Quantum mechanics displays all its exciting strangeness already by considering the Schrödingerequation in a one-dimensional square well potential; tunnelling events put this statement in evidence.To recreate this situation in a given material system is an inspiring playground and a big step towardstaking control of quantum mechanisms. For instance, it is now possible to confine electrons in solidstatedevices enabling amore efficient solar-cell technology. Confining individual electron spins has infact been suggested as a possible approach to the realization of a quantum computer. Each electronspin forms a natural two-level systems encoding an elementary bit of quantum information (a socalledspin qubit). This proposal, by Loss and DiVincenzo, has contributed to the opening of an activeresearch field referred to as quantum spintronics. Spin qubits rely on the fact that spin states canpreserve their coherence on much longer time scales than charge (i.e. orbital) states.A confinement potential can be created artificially in many different ways; producing constantmagnetic fields and spatially inhomogeneous electric fields, applying oscillating electric fields, usingconductive oxide layers, etc. To take advantage of the band-alignment of different semiconductors isamong these. The relevant dimensions of the considered system should still be smaller than the phasecoherence length of the confined particles in order that their quantum behaviour is preserved.So far, most of the progress has been achieved using GaAs-based semiconductor heterostructures. Insuch layered systems themotion of carriers is confined to a plane and further confinement is achievedbymeans of lithographic techniques, which allow lateral confinement to be achieved on a sub-100 nmlength scale. In this way, quasi-zero-dimensional systems whose electronic states are completelyquantized, i.e. quantum dots (QDs), can be devised.Various time-resolved techniques involving high-frequency electrical signals have been developed tomanipulate and read-out the spin state of confined electrons in GaAs QDs, and several years ago thefirst spin qubits were reported. In GaAs-based QDs, however, the quantum coherence of electronspins is lost on relatively short time scales due to the hyperfine interactionwith the nuclear spins (bothGa and As have non-zero nuclear spin moments). In spite of significant advances on controlling thenuclear polarization [3, 4], this problem remains unsolved.In the past few years an increasing effort is concentrating on alternative material systems in whichhyperfine interaction is naturally absent or at least very weak and, in principle, controllable by isotopepurification. While Si fulfils this requirement and it is the dominant material in modernmicroelectronics, it suffers from low mobility compared to III-V semiconductors, which obstructs itsapplication for quantum spintronics. SiGe structures offer a way to circumvent this problem that isstill compatible with standard silicon processes.I have focused mainly on the study of the electronic properties of SiGe self-assembled islands, alsocalled SiGe nanocrystals. This work, which condensates the main points of this study, is organized insix chapters. In the first chapter, I describe the basics of the growth of SiGe self-assembled islands andthe properties of the quasi-zero-dimensional confinement potential that they define. Chapter 2 isdevoted to the basics of electronic transport in these structures. Chapter 3 deals with the electricmodulation of the hole g-factor in SiGe islands, which would enable a fast manipulation of the spinstates. In Chapter 4 I present theoretical and experimental findings related to spin selectivity in SiGeQDs and Chapter 5 is dedicated to the realization of an electron pump in InAs nanowires based on thiseffect. Finally, Chapter 6 exhibits our progress towards the study of coupled SiGe QD devices

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Hakimi, Shirin. "Theory and Modeling of Electrical Control of Chiral Qubit in Spin-Frustrated Molecular Triangle." Thesis, Linnéuniversitetet, Institutionen för fysik och elektroteknik (IFE), 2019. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:lnu:diva-84587.

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Abstract:

Spin-frustrated molecular triangles have four low-lying energy states, so called chiral states, which can be employed as the unit of information, qubit, in a quantum computer. The fact that the chiral states are characterized by two quantum numbers chirality and spin allows the control of the magnetization of the molecule by an electric ﬁeld due to the spin-electric interaction. Unlike a magnetic ﬁeld, electric ﬁelds can be applied spatially and temporally on the scale of single molecules, as an electric impulse by using a scanning tunneling microscope (STM) tip. In this thesis, I report on, i. Theoretical description of spin-frustrated molecular triangles based on sym-metry group theory, ii. Modeling of the system by using an extended Hubbard Hamiltonian includ-ing spin-orbit coupling and an external magnetic ﬁeld. iii. Modeling of the spin-electric interaction for a spin-frustrated molecular tri-angle. iv. Studying the chiral states by performing numerical calculations based on exact diagonalization of the Hubbard Hamiltonian. v. Investigating the electrical control of the chiral qubits through numerical calculation.

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El, Homsy Victor. "Apprivoiser le bruit pour les qubits de spin d'électrons en CMOS." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALY007.

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Abstract:

Alors qu’âgée d’à peine plus d’un siècle, la physique quantique est devenue technologique. Son représentant le plus omniprésent est le transistor, en tant que brique élémentaire des appareils électroniques. Les progrès en fabrication à l’échelle nanométrique ont engendré une croissance exponentielle de sa densité dans les circuits microélectroniques. Une fois au nanomètre, des effets quantiques inévitables empêchent de miniaturiser davantage. Des modèles alternatifs sont étudiés pour contourner cet obstacle, dont la plateforme « complementary metal-oxide semiconductor fully depleted silicon-on-insulator” (CMOS FD-SOI).En parallèle de ces développements, la physique quantique a donné naissance à une nouvelle génération d’innovation technologique, grâce à la capacité de contrôler la matière à l’échelle de la particule unique. Isoler une particule dans un environnement suffisamment calme donne accès à ses propriétés de superposition et d’intrication. Exploiter ces phénomènes pour le traitement de l’information conduirait au changement de paradigme du calcul quantique, qui promet de résoudre des problèmes classiquement intractables. Plusieurs acteurs concourent à la meilleure implémentation d’un bit quantique (ou « qubit ») et tous se heurtent au défi de passer de quelques qubits académiques à un processeur industriel. Parmi eux, les électrons piégés dans des structures silicium sont prometteurs du fait de leur exposition réduite aux noyaux magnétiques et au couplage spin-orbite, et de la possibilité de les purifier des noyaux de spin non nul. De plus, leur compatibilité avec le savoir-faire microélectronique donne l’espoir du passage à l’échelle. Dans cette thèse, nous étudions des électrons uniques piégés dans des boites quantiques définies dans des transistors CMOS FD-SOI. Nous nous intéressons en particulier aux aspects de « bruit » dans leur contrôle et leur lecture.Tout d’abord, nous démontrons la manipulation cohérente d’un spin d’électron CMOS par résonance magnétique médiée électriquement. Un microaimant déposé sur la puce CMOS génère un champ magnétique inhomogène. Exciter le déplacement de l’électron dans ce gradient par les tensions de grille lui fait sentir un champ magnétique oscillant, permettant des rotations du spin avec une fréquence Rabi de 1MHz et un temps de déphasage de 500ns. Nous attribuons ces performances limitées à un nombre fini de fluctuateurs à deux niveaux et aux dimensions réduites des boites quantiques en CMOS. L’enveloppe Rabi et le déphasage rapide sont caractéristiques de l’interaction avec les spins nucléaires. Cependant, découpler dynamiquement l’électron de cette gamme de fréquence offre des temps de cohérence à l’état de l’art, limités par le bruit de charge, en accord avec de simples mesures électriques à basse fréquence. Ces résultats suggèrent la pertinence de la purification isotopique pour s’affranchir du bruit hyperfin.Ensuite, nous nous intéressons au bruit de lecture de ces électrons. L’objectif était d’évaluer la pertinence d’un amplificateur paramétrique à ondes progressives (TWPA) dans la chaine de lecture radiofréquence des dispositifs. Fabriquer des résonateurs sur la puce CMOS a permis de réduire leur capacité parasite et de réaliser des mesures par réflectométrie dans la gamme 3-4GHz, plus près du régime habituel du TWPA. Même pompé loin de son gap, le TWPA montre des figures de mérite nominales, et une résilience à un champ magnétique typique des expériences de qubits de spin. Son haut point de compression à -100dBm, sa bande passante large (2GHz) et réglable et son bruit ajouté proche de la limite quantique permettent plus de 10dB d’amélioration du rapport signal-sur-bruit dans la lecture de transitions de charge interdot, et une lecture multiplexée dans un dispositif à six grilles. Cette compatibilité entre un amplificateur supraconducteur à large bande et des dispositifs CMOS FD-SOI multi-grilles est encourageante en vue d’expériences à plus grande échelle
While being a bit more than a century old, quantum physics have become technological. The most ubiquitous instance of the use of quantum physics is the transistor, as the building block of modern computing devices. Progress in nanoscale fabrication has fostered an exponential increase of transistor density In microelectronics circuits. Once in the nanometer range, unavoidable quantum effects tamper further miniaturization. Alternative transistor designs are being developed to mitigate this showstopper. The complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) platform is one of them.In parallel to these developments, quantum physics spawned a new generation of technological innovation, thanks to the ability to control matter at the single particle level. Isolating elementary particles in a quiet environment gives access to their superposition and entanglement properties. Using these to process information would realize the quantum computing paradigm shift, where classically intractable problems are promised to come at reach. Many candidates are racing for the best implementation of a quantum bit (or “qubit”) and all of them are facing the challenge to up-scale their architecture from a few lab qubits to an industrial processor. Among them, electrons trapped in silicon structures offer promising prospects thanks to their reduced exposure to magnetic nuclei and spin-orbit interaction, and to the possibility to purify away non-zero nuclear spins. Moreover, the expected compatibility of silicon structures with microelectronics know-how gives hopes for scalability. In this thesis, we study single electrons trapped in gate-defined quantum dots formed in CMOS FD-SOI transistors. We investigate on how to improve their use as qubits, focusing on experimental noise aspects.First, we demonstrate coherent manipulation of a single CMOS electron spin with electrically driven spin resonance. A micromagnet is patterned directly on top of the CMOS chip, creating an inhomogeneous magnetic field. Driving the electron motion inside this gradient with the available electric gates makes it feel an effective oscillating magnetic field, and enables single qubit operations, with a relatively low 1 MHz Rabi frequency and short 500 ns dephasing time. This limited performance is attributed to a finite number of two-level fluctuators and smaller quantum dot sizes compared to other silicon architectures. The shape of the Rabi decay and the sub-µs dephasing time are characteristic of hyperfine interaction with spinful nuclei. However, dynamically decoupling the electron spin from this frequency range showed state-of-the-art coherence times and performance limited by charge noise, in accordance with simple charge sensor measurements at low frequencies. These results point towards the relevance of isotopic purification to avoid hyperfine-induced dephasing in CMOS FD-SOI devices.After focusing on qubit control, a second part of this thesis deals with readout noise. The objective was to demonstrate the use of a traveling-wave parametric amplifier (TWPA) in the amplification chain of radio-frequency readout of CMOS devices. Patterning inductors on the CMOS chip reduced the parasitic capacitance of our resonators and enabled to perform lumped-element reflectometry in the 3-4 GHz range, closer to usual TWPA operating regimes. Even when being pumped far from its gap, the TWPA shows nominal figures of merit, and a resilience to magnetic fields typical for spin qubit experiments. Its high -100dBm compression point, wide and tunable 2 GHz bandwidth and quantum-limited added noise enabled to get more than 10dB signal-to-noise ratio improvement on interdot charge transitions in our devices, and to multiplex interdot readout in a 6-gate device. This compatibility between a large bandwidth superconducting amplifier and multi-gate CMOS FD-SOI quantum devices is promising towards CMOS electron spin qubit experiments at larger scale

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Gheeraert, Nicolas. "Non-linéarités quantiques d'un qubit en couplage ultra-fort avec un guide d'ondes." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY034/document.

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Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre
In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function

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Fraval, Elliot, and elliot fraval@gmail com. "Minimising the Decoherence of Rare Earth Ion Solid State Spin Qubits." The Australian National University. Research School of Physical Sciences and Engineering, 2006. http://thesis.anu.edu.au./public/adt-ANU20061010.124211.

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[Mathematical symbols can be only approximated here. For the correct display see the Abstract in the PDF files linked below] This work has demonstrated that hyperfine decoherence times sufficiently long for QIP and quantum optics applications are achievable in rare earth ion centres. Prior to this work there were several QIP proposals using rare earth hyperfine states for long term coherent storage of optical interactions [1, 2, 3]. The very long T_1 (~weeks [4]) observed for rare-earth hyperfine transitions appears promising but hyperfine T_2s were only a few ms, comparable to rare earth optical transitions and therefore the usefulness of such proposals was doubtful. ¶ This work demonstrated an increase in hyperfine T_2 by a factor of 7 × 10^4 compared to the previously reported hyperfine T_2 for Pr^[3+]:Y_2SiO_5 through the application of static and dynamic magnetic field techniques. This increase in T_2 makes previous QIP proposals useful and provides the first solid state optically active Lamda system with very long hyperfine T_2 for quantum optics applications. ¶ The first technique employed the conventional wisdom of applying a small static magnetic field to minimise the superhyperfine interaction [5, 6, 7], as studied in chapter 4. This resulted in hyperfine transition T_2 an order of magnitude larger than the T_2 of optical transitions, ranging fro 5 to 10 ms. The increase in T_2 was not sufficient and consequently other approaches were required. ¶ Development of the critical point technique during this work was crucial to achieving further gains in T_2. The critical point technique is the application of a static magnetic field such that the Zeeman shift of the hyperfine transition of interest has no first order component, thereby nulling decohering magnetic interactions to first order. This technique also represents a global minimum for back action of the Y spin bath due to a change in the Pr spin state, allowing the assumption that the Pr ion is surrounded by a thermal bath. The critical point technique resulted in a dramatic increase of the hyperfine transition T_2 from ~10 ms to 860 ms. ¶ Satisfied that the optimal static magnetic field configuration for increasing T_2 had been achieved, dynamic magnetic field techniques, driving either the system of interest or spin bath were investigated. These techniques are broadly classed as Dynamic Decoherence Control (DDC) in the QIP community. The first DDC technique investigated was driving the Pr ion using a CPMG or Bang Bang decoupling pulse sequence. This significantly extended T_2 from 0.86 s to 70 s. This decoupling strategy has been extensively discussed for correcting phase errors in quantum computers [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], with this work being the first application to solid state systems. ¶ Magic Angle Line Narrowing was used to investigate driving the spin bath to increase T_2. This experiment resulted in T_2 increasing from 0.84 s to 1.12 s. Both dynamic techniques introduce a periodic condition on when QIP operation can be performed without the qubits participating in the operation accumulating phase errors relative to the qubits not involved in the operation. ¶ Without using the critical point technique Dynamic Decoherence Control techniques such as the Bang Bang decoupling sequence and MALN are not useful due to the sensitivity of the Pr ion to magnetic field fluctuations. Critical point and DDC techniques are mutually beneficial since the critical point is most effective at removing high frequency perturbations while DDC techniques remove the low frequency perturbations. A further benefit of using the critical point technique is it allows changing the coupling to the spin bath without changing the spin bath dynamics. This was useful for discerning whether the limits are inherent to the DDC technique or are due to experimental limitations. ¶ Solid state systems exhibiting long T_2 are typically very specialised systems, such as 29Si dopants in an isotopically pure 28Si and therefore spin free host lattice [16]. These systems rely on on the purity of their environment to achieve long T_2. Despite possessing a long T_2, the spin system remain inherently sensitive to magnetic field fluctuations. In contrast, this work has demonstrated that decoherence times, sufficiently long to rival any solid state system [16], are achievable when the spin of interest is surrounded by a concentrated spin bath. Using the critical point technique results in a hyperfine state that is inherently insensitive to small magnetic field perturbations and therefore more robust for QIP applications.

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Grezes, Cécile. "Towards a spin ensemble quantum memory for superconducting qubits." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066635.

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Abstract:

Cette thèse porte sur la réalisation d'un processeur quantique hybride, dans lequel les degrés de liberté collectifs d'un ensemble de spins sont utilisés comme une mémoire quantique multimode pour les qubits supraconducteurs. Nous concevons un protocole capable de stocker et de récupérer à la demande les états d'un grand nombre de qubits dans un ensemble de spin et nous démontrons les briques de bases des opérations mémoires avec des centres NV dans le diamant. Le protocole repose sur le couplage des spins à un résonateur à fréquence et facteur de qualité accordable. Les états quantiques sont écrits par absorption résonante d'un photon micro-ondes dans l'ensemble de spins, et lus par application d'une séquence d'impulsions aux spins. L'étape d'écriture du protocole est démontrée dans une première expérience dans laquelle sont intégrés sur la même puce un qubit supraconducteur, un résonateur à fréquence accordable, et l'ensemble de spins. Les états du qubit sont stockés dans les spins via le résonateur. Après le stockage, l'état quantique collectif qui en résulte est rapidement déphasé en raison de l'élargissement inhomogène de l'ensemble et une séquence de refocalisation doit être appliquée sur les spins pour déclencher la réémission collective comme un écho de l'état quantique initialement absorbé. Dans une seconde expérience, nous démontrons une brique de base importante de cette opération de lecture, qui consiste à récupérer de multiples impulsions micro-ondes classiques au niveau du photon unique en utilisant des techniques d’écho de Hahn. Enfin, le repompage optique des spins est implémenté afin de réinitialiser la mémoire entre deux séquences successives
This thesis work discusses the development of a hybrid quantum processor, in which collective degrees of freedom of an ensemble of spins are used as a multimode quantum memory for superconducting qubits. We design a memory protocol able to store and retrieve on demand the state of a large number of qubits in a spin ensemble and we demonstrate building blocks of its operations with NV centers in diamond. The protocol relies on the coupling of the NV ensemble to a resonator with tunable frequency and quality factor. Incoming quantum states are written by resonant absorption of a microwave photon in the spin ensemble, and then read out of the memory by applying a sequence of control pulses to the spins and to the resonator. The write step of the protocol is demonstrated in a first experiment by integrating on the same chip a superconducting qubit, a resonator with tunable frequency, and the NV ensemble. Arbitrary qubit states are stored into the spin ensemble via the resonator. After storage, the resulting collective quantum state is rapidly dephased due to inhomogeneous broadening of the ensemble and a refocusing sequence must be applied on the spins to bring them to return in phase and to re-emit collectively the quantum state initially absorbed as an echo. In a second experiment, we demonstrate an important building block of this read-out operation, which consists in retrieving multiple classical microwave pulses down to the single photon level using Hahn echo refocusing techniques. Finally, optical repumping of the spin ensemble is implemented in order to reset the memory in-between two successive sequences

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Lo, Nardo Roberto. "Charge state manipulation of silicon-based donor spin qubits." Thesis, University of Oxford, 2015. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:29a0f336-82ce-4794-82fe-d7db2802ffc1.

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Abstract:

Spin properties of donor impurities in silicon have been investigated by electron spin resonance (ESR) techniques for more than sixty years. These studies gave us a contribution towards understanding some of the physics of doped semiconductor materials in general, which is the platform for much of our current technology. Despite the fact that donor electron and nuclear spins have been researched for so long, ESR studies of their properties are still giving us interesting insights. With the introduction of the concept of quantum information in the 1980s, some properties of donor spins in silicon, that were known from the fifties (such as long relaxations), have been reinterpreted for their potential application in this field. Since then, incredible experimental results have been achieved with magnetic resonance control, including manipulation and read-out of individual spins. However, some open questions are still to be answered before the realisation of a spin-based silicon quantum architecture will be achieved. Currently, ESR studies still contribute to help answering some of those questions. In this thesis, we demonstrate electrical and optical methods for donor charge state manipulation measured by ESR. Recent experiments have demonstrated that coherence time of nuclear spins may be enhanced by manipulating the state of donors from neutral to singly charged. We investigate electric field ionisation/neutralisation of arsenic donors in a silicon SOI device measured by ESR. Below ionisation threshold, we also measure the hyperfine Stark shift of arsenic donors spins in silicon. These results have, for instance, implications on how fast individual addressability of donor spins may be achieved in certain quantum computer architectures. Here, we also study optical-driven charge state manipulation of selenium impurities in silicon. Selenium has two additional electrons when it replaces an atom in the silicon crystal (i.e. double donor). The electronic properties of singly-ionised selenium make it potentially advantageous as spin qubit, compared to the more commonly studied group-V donors. For instance, we find here that the electron spin relaxation and coherence times of selenium are up to two orders of magnitude longer than phosphorus at the same temperature. Finally, we demonstrate that it is possible to bring selenium impurity in singly-charged state and subsequently re-neutralise them leaving a potential long-lived ⁷⁷Se nuclear spin.

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Poulin-Lamarre, Gabriel. "La boîte quantique triple : nouvelles oscillations et incorporation de microaimants." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2014. http://hdl.handle.net/11143/5989.

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Abstract:

Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.

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Candoli, Davide. "Simulation of NMR/NQR observables and spin control for applications in Quantum Science." Master's thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2020.

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Abstract:

Il mio progetto di tesi consiste nello sviluppo di un programma per la simulazione numerica di esperimenti di risonanza magnetica/di quadrupolo nucleare (NMR/NQR), con l’obiettivo di realizzare una connessione tra la teoria e le evidenze sperimentali: dopo aver ricostruito la dinamica degli spin nucleari prevista in base alla teoria, il software simula a partire da questa i risultati delle misure, presentandoli in una forma confrontabile con i dati ottenuti in laboratorio. L’intero lavoro è fondato su uno studio completo e approfondito della descrizione quantistica dei fenomeni di interesse, la quale è servita come modello su cui plasmare la struttura del programma. Le simulazioni eseguite sondano buona parte della fenomenologia studiata nei laboratori NMR, abbracciando un ampio spettro di configurazioni che comprende NMR ed NQR pure e reciprocamente perturbate. Il software è stato impiegato anche per la riproduzione delle tecniche sperimentali finalizzate all’implementazione di qubit e quantum gates in sistemi NQR, dimostrandosi uno strumento utile per la ricerca nell’ambito del controllo quantistico ed elaborazione dell’informazione quantistica. Questo lavoro di tesi è stato realizzato nell'ambito di un progetto di cooperazione internazionale dell'Università di Bologna in collaborazione con la Brown University, Providence (USA).

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Rochette, Sophie. "Étude en transport électrique d'une double boîte quantique latérale en silicium." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2014. http://hdl.handle.net/11143/5913.

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Abstract:

Ce mémoire présente des résultats de caractérisation en transport électrique d’une double boîte quantique latérale en silicium de type MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi- conducteur). La double boîte permet d’isoler des électrons dans les trois dimensions, tout d’abord en formant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge près de la surface du substrat sous l’effet d’une grille d’accumulation, puis en déplétant certaines régions du gaz d’électrons avec des grilles de déplétion en polysilicium. Le dispositif a été fabriqué aux Sandia National Laboratories par l’équipe de Malcolm S. Carroll. Les mesures en transport électrique suggèrent l’atteinte du régime à un seul électron à une température relativement élevée de 1.5 K. En effet, des mesures de diamants de Coulomb montrent un diamant associé à la région à zéro électron qui ne se referme pas pour des biais source-drain supérieurs à 30 meV. Il s’agit d’une forte indication que les boîtes quantiques ont bien été vidées, bien que le nombre exact d’électrons n’ait pas pu être confirmé directement par détection de charge. Le diagramme de stabilité obtenu à une température de 8 mK indique la formation d’une double boîte quantique lithographique très stable. Enfin, l’étude des triangles de conduction à fort biais source-drain dans les polarités positive et négative permet d’observer le phénomène du blocage de spin sous l’application d’un champ magnétique parallèle de 450 mT. Une séparation singulet-triplet de ~ 400 μeV en est extraite, indiquant possiblement une levée importante de la dégénérescence de vallée associée au silicium. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent l’une des premières observations de l’isolation d’un seul électron dans une double boîte quantique en silicium de type MOSFET. Il s’agit aussi de la première observation du blocage de spin en transport dans ces dispositifs. Ces observations font partie des étapes initiales à réaliser pour obtenir des qubits de spin performants dans le silicium, un matériau pour lequel des longs temps de cohérence sont anticipés.

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Roy, Anne-Marie. "Détection de charge rapide radiofréquence." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2015. http://hdl.handle.net/11143/8155.

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Abstract:

Dans ce travail, un circuit de détection de charge radiofréquence est construit et caractérisé à l'aide d'un dispositif de boîte quantique. Les radiofréquences permettent d'obtenir des mesures résolues en temps plus rapides par rapport à la méthode classique en courant continu. Cette méthode de détection est effectuée par réflectométrie d'un circuit RLC résonant dont fait partie le détecteur de charge du dispositif. L'intégration d'un condensateur à capacité variable à large plage est étudiée. On trouve que cette composante est nécessaire à l'adaptation rapide et efficace des nouveaux dispositifs au circuit. En plus de la capacité variable, le circuit comporte plusieurs paramètres à optimiser. Il s'agit de la conductance du détecteur de charge, la fréquence et la puissance du signal radiofréquence. Un protocole d'optimisation de ces paramètres a été mis sur pied. On obtient la sensibilité à la conductance du circuit radiofréquence de détection de charge. Elle est équivalente à celle des meilleurs circuits présents dans la littérature. On propose d'améliorer le détecteur de charge du dispositif, pour obtenir une meilleure sensibilité à la charge. Le circuit radiofréquence permet également d'effectuer la caractérisation du couplage tunnel d'un dispositif de double boîte quantique en silicium par la méthode des statistiques de comptage. Cette mesure aurait été impossible avec le circuit en courant continu. On a pu confirmer le comportement exponentiel du couplage tunnel en fonction de la tension appliquée sur une grille électrostatique. Les résultats de ce mémoire confirment que le circuit de détection de charge radiofréquence construit permet d'effectuer des mesures avec une meilleure résolution temporelle qu'en courant continu. Cette résolution ouvre la porte à une toute une gamme de mesures sur les dispositifs de boîtes quantiques qui étaient impossibles avec le circuit précédent, telles que la mesure en temps réel du spin de l'électron.

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Hollmann, Arne [Verfasser], Hendrik [Akademischer Betreuer] Bluhm, and Dominique [Akademischer Betreuer] Bougeard. "Relaxation and decoherence of a 28Si/SiGe spin qubit with large valley splitting / Arne Hollmann ; Hendrik Bluhm, Dominique Bougeard." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2019. http://d-nb.info/122008252X/34.

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Brown, Richard Matthew. "Coherent transfer between electron and nuclear spin qubits and their decoherence properties." Thesis, University of Oxford, 2012. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:21e043b7-3b72-44d7-8095-74308a6827dd.

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Abstract:

Conventional computing faces a huge technical challenge as traditional transistors will soon reach their size limitations. This will halt progress in reaching faster processing speeds and to overcome this problem, require an entirely new approach. Quantum computing (QC) is a natural solution oﬀering a route to miniaturisation by, for example, storing information in electron or nuclear spin states, whilst harnessing the power of quantum physics to perform certain calculations exponentially faster than its classical counterpart. However, QCs face many diﬃculties, such as, protecting the quantum-bit (qubit) from the environment and its irreversible loss through the process of decoherence. Hybrid systems provide a route to harnessing the beneﬁts of multiple degrees of freedom through the coherent transfer of quantum information between them. In this thesis I show coherent qubit transfer between electron and nuclear spin states in a ¹⁵N@C₆₀ molecular system (comprising a nitrogen atom encapsulated in a carbon cage) and a solid state system, using phosphorous donors in silicon (Si:P). The propagation uses a series of resonant mi- crowave and radiofrequency pulses and is shown with a two-way ﬁdelity of around 90% for an arbitrary qubit state. The transfer allows quantum information to be held in the nuclear spin for up to 3 orders of magnitude longer than in the electron spin, producing a ¹⁵N@C₆₀ and Si:P ‘quantum memory’ of up to 130 ms and 1.75 s, respectively. I show electron and nuclear spin relaxation (T₁), in both systems, is dominated by a two-phonon process resonant with an excited state, with a constant electron/nuclear T₁ ratio. The thesis further investigates the decoherence and relaxation properties of metal atoms encapsulated in a carbon cage, termed metallofullerenes, discovering that exceptionally long electron spin decoherence times are possible, such that these can be considered a viable QC candidate.

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GRIMAUDO, Roberto. "Exact quantum dynamics of interacting spin systems subjected to controllable time dependent magnetic fields." Doctoral thesis, Università degli Studi di Palermo, 2020. http://hdl.handle.net/10447/401920.

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Cubaynes, Tino. "Shaping the spectrum of carbon nanotube quantum dots with superconductivity and ferromagnetism for mesoscopic quantum electrodynamics." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS195/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire aﬁn de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les ﬂuctuations des spins nucléaires
In this thesis, we study carbon nanotubes based quantum dot circuits embedded in a microwave cavity. This general architecture allows one to simultaneously probe the circuit via quantum transport measurements and using circuit quantum electrodynamics techniques. The two experiments realized in this thesis use metallic contacts of the circuit as a resource to engineer a spin sensitive spectrum in the quantum dots. The ﬁrst one is a Cooper pair splitter which was originally proposed as a source of non local entangled electrons. By using cavity photons as a probe of the circuit internal dynamics, we observed a charge transition dressed by coherent Cooper pair splitting. Strong charge-photon coupling in a quantum dot circuit was demonstrated for the ﬁrst time in such a circuit. A new fabrication technique has also been developed to integrate pristine carbon nanotubes inside quantum dot circuits. The purity and tunability of this new generation of devices has made possible the realization of the second experiment. In the latter, we uses two non-collinear spin-valves to create a coherent interface between an electronic spin in a double quantum dot and a photon in a cavity. Highly coherent spin transitions have been observed. We provide a model for the decoherence based on charge noise and nuclear spin ﬂuctuations

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Santos, Marcelo Meireles dos. "Soluções exatas e medidas de emaranhamento em sistemas de spins." Universidade de São Paulo, 2018. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-23032018-210425/.

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Abstract:

Recentemente, uma implementação de um conjunto universal de portas lógicas de um e dois qubits para computação quântica usando estados de spin de pontos quânticos de um único elétron foi proposta. Estes resultados nos motivaram a desenvolver um estudo teórico formal do correspondente modelo de dois spins colocados em um campo magnético externo e acoplados por uma interação mútua de Heisenberg dependente do tempo. Nós então consideramos a assim chamada equação de dois spins, a qual descreve sistemas quânticos de quatro níveis de energia. Uma útil propriedade dessa equação é que o correspondente problema para o caso de campos magnéticos externos paralelos pode ser reduzido ao problema de um único spin em um campo externo efetivo. Isso nos permite gerar uma série de soluções exatas para a equação de dois spins a partir de soluções exatas já conhecidas da equação de um spin. Com base neste fato, nós construímos e apresentamos neste estudo uma lista de novas soluções exatas para a equação de dois spins para diferentes configurações de campos externos e de interação entre as partículas. Utilizando algumas destas soluções obtidas, estudamos a dinâmica da entropia de emaranhamento dos respectivos sistemas considerando diferentes estados de spins inicialmente separáveis.
Recently, an implementation of a universal set of one- and two-qubit logic gates for quantum computing using spin states of single-electron quantum dots was proposed. These results motivated us to develop a formal theoretical study of the corresponding model of two spins placed in an external magnetic field and coupled by a time-dependent mutual interaction of Heisenberg. We then consider the so-called two-spin equation, which describes four-level quantum systems. A useful property of this equation is that the corresponding problem for the case of parallel external magnetic fields can be reduced to the problem of a single spin in an effective external field. This allows us to generate a series of exact solutions for the two-spin equation from the already known exact solutions of the one-spin equation. Based on this fact, we construct and present in this study a list of new exact solutions for the two-spin equation for different configurations of external fields and interaction between particles. Using some of these solutions obtained, we study the dynamics of the entropy of entanglement of the respective systems considering different initially separable spins states.

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Weichselbaum, Andreas. "Nanoscale Quantum Dynamics and Electrostatic Coupling." Ohio University / OhioLINK, 2004. http://www.ohiolink.edu/etd/view.cgi?ohiou1091115085.

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Laird, E. A. "Electrical control of quantum dot spin qubits." Thesis, Lancaster University, 2009. http://eprints.lancs.ac.uk/124373/.

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Brooks, Matthew [Verfasser]. "Spin Qubits in Two-Dimensional Semiconductors / Matthew Brooks." Konstanz : KOPS Universität Konstanz, 2019. http://d-nb.info/1204829217/34.

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Bourdet, Léo. "Modeling of electrical manipulation in silicon spin qubits." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY058/document.

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Abstract:

Dans la course à l’ordinateur quantique, le silicium est devenu ces dernières années un matériau de choix pour l'implémentation des qubits de spin. De tels dispositifs sont fabriqués au CEA en utilisant les technologies CMOS, afin de faciliter leur intégration à grande échelle. Cette thèse porte sur la modélisation de ces qubits, et en particulier sur la manipulation de l’état de spin par un champ électrique. Pour cela nous utilisons un ensemble de techniques numériques avancées pour calculer le potentiel et la structure électronique des qubits (notamment les méthodes de liaisons fortes et k.p), afin d’être le plus proche possible des dispositifs expérimentaux. Ces simulations nous ont permis d’étudier deux résultats expérimentaux d’importance : l’observation de la manipulation par champ électrique du spin d’un électron d’une part, et la caractérisation de l’anisotropie de la fréquence de Rabi d’un qubit de trou d’autre part. Le premier résultat était plutôt inattendu, étant donné; le très faible couplage spin-orbite dans la bande de conduction du silicium. Nous développons un modèle, validé par les simulations et certains résultats expérimentaux, qui met en évidence le rôle essentiel du couplage spin-orbite inter-vallée, exacerbé par la faible symétrie du système. Nous utilisons ces résultats pour proposer et tester numériquement un schéma de manipulation électrique consistant à passer réversiblement d’un qubit de spin à un qubit de vallée. Concernant les qubits de trous, le couplage spin-orbite relativement élevé autorise la manipulation du spin par champ électrique, toutefois les mesures expérimentales d’anisotropie donnent à voir une physique complexe, insuffisamment bien décrite par les modèles actuels. Nous développons donc un formalisme permettant de caractériser simplement la fréquence de Rabi en fonction du champ magnétique, et qui peut s’appliquer à d’autre type de qubit spin-orbite. Les simulations permettent de reproduire les résultats expérimentaux, et de souligner le rôle important de la contrainte
In the race for quantum computing, these last years silicon has become a material of choice for the implementation of spin qubits. Such devices are fabricated in CEA using CMOS technologies, in order to facilitate their large-scale integration. This thesis covers the modeling of these qubits andin particular the manipulation of the spin state with an electric field. To that end, we use a set numerical tools to compute the potential and electronic structure in the qubits (in particular tightbinding and k.p methods), in order to be as close as possible to the experimental devices. These simulations allowed us to study two important experimental results: on one hand the observation of the electrical manipulation of an electron spin, and on the other hand the characterization of the anisotropy of the Rabi frequency of a hole spin qubit. The first one was rather unexpected, since the spin-orbit coupling is very low in the silicon conduction band. We develop a model, confirmed by thesimulations and some experimental results, that highlights the essential role of the intervalley spinorbit coupling, enhanced by the low symmetry of the system. We use these results to propose and test numerically a scheme for electrical manipulation which consists in switching reversibly betweena spin qubit and a valley qubit. Concerning the hole qubits, the relatively large spin-orbit coupling allows for electrical spin manipulation. However the experimental measurements of Rabi frequency anisotropy show a complex physics, insufficiently described by the usual models. Therefore we developa formalism which allows to characterize simply the Rabi frequency as a function of the magnetic field, and that can be applied to other types of spin-orbit qubits. The simulations reproduce the experimental features, underline the important role of strain

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Stano, Peter. "Controlling electron quantum dot qubits by spin-orbit interactions." [S.l.] : [s.n.], 2007. http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=983802254.

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Witzel, Wayne Martin. "Decoherence and dynamical decoupling in solid-state spin qubits." College Park, Md. : University of Maryland, 2007. http://hdl.handle.net/1903/6889.

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Abstract:

Thesis (PhD) -- University of Maryland, College Park, 2007.
Thesis research directed by: Physics. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.

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Balian, S. J. "Quantum-bath decoherence of hybrid electron-nuclear spin qubits." Thesis, University College London (University of London), 2015. http://discovery.ucl.ac.uk/1470543/.

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Abstract:

A major problem facing the realisation of scalable solid-state quantum computing is that of overcoming decoherence - the process whereby phase information encoded in a quantum bit ('qubit') is lost as the qubit interacts with its environment. Due to the vast number of environmental degrees of freedom, it is challenging to accurately calculate decoherence times T2, especially when the qubit and environment are highly correlated. Hybrid or mixed electron-nuclear spin qubits, such as donors in silicon, are amenable to fast quantum control with pulsed magnetic resonance. They also possess 'optimal working points' (OWPs) which are sweet-spots for reduced decoherence in magnetic fields. Analysis of sharp variations of T2 near OWPs was previously based on insensitivity to classical noise, even though hybrid qubits are situated in highly correlated quantum environments, such as the nuclear spin bath environment of 29Si impurities. This presented limited understanding of the underlying decoherence mechanism and gave unreliable predictions for T2. In this thesis, I present quantum many-body calculations of the qubit-bath dynamics, which (i) yield T2 for hybrid qubits in excellent agreement with experiments in multiple regimes, (ii) elucidate the many-body nature of the nuclear spin bath and (iii) expose significant differences between quantum-bath and classical-field decoherence. To achieve these results, the cluster correlation expansion was adapted to include electron-nuclear state mixing. In addition, an analysis supported by experiment was carried out to characterise the nuclear spin bath for a bismuth donor as the hybrid qubit, a simple analytical formula for T2 was derived with predictions in agreement with experiment, and the established method of dynamical decoupling was combined with operating near OWPs in order to maximise T2. Finally, the decoherence of a 29Si spin in proximity to the hybrid qubit was studied, in order to establish the feasibility for its use as a quantum register.

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Smith, Thomas Benjamin. "Entanglement and measurement of solid-state qubits." Thesis, The University of Sydney, 2020. https://hdl.handle.net/2123/24894.

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Abstract:

A full-scale quantum computer requires physical qubits that can be controlled with high precision and accuracy. Unfortunately, few state-of-the-art qubits can perform all their elementary operations (preparation, measurement, single-qubit gates and two-qubit gates) with sufficient fidelity. In this thesis, we investigate alternative schemes for such operations in solid-state qubits. Specifically, two-qubit gates and measurements, which are often the noisiest of the four. We first provide a preliminary introduction to quantum computing, and describe how quantum information can be encoded and manipulated in quantum systems. We include background information for the three different solid-state qubit architectures that feature in this thesis: spin qubits, superconducting qubits and Majorana qubits. Following this, we investigate a scheme for mediating a two-qubit interaction between spin qubits via a multielectron quantum dot. We study a multielectron dot in detail, and characterise its exchange interaction with a single spin. With the aid of a theoretical model, we show that the multielectron dot possesses an irregular triplet-preferring ground state, analogous to Hund's rule from atomic physics. Using these findings, we then demonstrate that the multielectron dot can be used to mediate a fast, long-range exchange interaction between two spin qubits. Subsequently, we examine two resonator-based measurement schemes for Majorana qubits. We first propose a readout technique based on a longitudinal qubit-resonator interaction. This leads to a measurement that is fast, high-fidelity and quantum non-demolition (QND). We then investigate a more conventional dispersive readout scheme. Not only does this yield a high quality measurement, but it can also offers a more protected readout mechanism in comparison to the dispersive readout of conventional superconducting qubits.

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Morton, John J. L. "Electron spins in fullerenes as prospective qubits." Thesis, University of Oxford, 2005. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.425947.

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Grajales, Julián Andrés Vargas. "Caracterização da evolução adiabática em cadeias de spin." Universidade de São Paulo, 2018. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76131/tde-05062018-151545/.

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Abstract:

A computação quântica adiabática tem sua pedra angular no teorema adiabático, cuja eficiência está relacionada tradicionalmente à proporção da variação temporal do Hamiltoniano que descreve o sistema e o gap mínimo entre o estado fundamental e o primeiro excitado. Normalmente, esse gap tende a diminuir quando aumenta o número de recursos (bit quântico: qubit) de um processador quântico, exigindo dessa maneira variações lentas do Hamiltoniano para assim garantir uma dinâmica adiabática. Entre os candidatos para a sua implementação física, estão os qubits baseados em circuitos supercondutores os quais têm um grande potencial, por causa de seu alto controle e escalabilidade promissora. No entanto, quando esses qubits são implementados, eles têm uma fonte intrínseca de ruído devido a erros de fabricação, que não podem ser desprezados. Por isso, nesta tese nós estudamos como os efeitos causados pelas flutuações dos parâmetros físicos do qubit afetam o comportamento da fidelidade da computação, realizando com esse propósito a simulação da dinâmica de cadeias de spin pequenas desordenadas. A partir do análise exaustivo desse estúdio foi possível propor uma estratégia que permite aumentar a fidelidade considerando um sistema ruidoso. Por outro lado, motivados pelo interesse de obter critérios suficientes e necessários para satisfazer uma computação quântica adiabática e pelo fato que ainda não existe uma condição de adiabaticidade geral apesar de existir inúmeras propostas, nós apresentamos um novo critério que manifesta suficiência para sistemas mais gerais e finalmente apresentamos evidências de que tal condição seria um quantificador consistente.
Adiabatic quantum computation has its cornerstone in the adiabatic theorem, whose efficiency is traditionally related to the ratio of the Hamiltonian temporal variation that describes the system and the minimum gap between the ground state and the first excited state. Usually, this gap tends to decrease when the number of quantum resources (quantum bit: qubit) of a quantum processor increases, thus it requires slow variations of the Hamiltonian to ensure an adiabatic dynamic. Among the candidates for its physical implementation are the qubits superconducting circuit-based which have great potential because of their high control and promising scalability. However, when these qubits are implemented, they have an intrinsic source of noise due to manufacturing errors that can not be despised. Therefore, in this thesis we study how the effects caused by the fluctuations of the physical parameters of the qubit affect the behavior of the fidelity of the computation, accomplishing with this purpose the simulation of the dynamics of small disordered spin chains. From the exhaustive analysis of this studio, it was possible to propose a strategy that allows to increase the fidelity considering a noisy system. On the other hand, motivated by the interest of obtaining sufficient and necessary criteria to satisfy an adiabatic quantum computation and the fact that there is still no general adiabaticity condition despite there being numerous proposals, we present a new criterion that manifests sufficiency for more general systems and we finally presented evidence that such a condition would be a consistent quantifier.

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Mehl, Sebastian Johannes [Verfasser]. "Achieving quantum computation with quantum dot spin qubits / Sebastian Johannes Mehl." Aachen : Hochschulbibliothek der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 2014. http://d-nb.info/1065974485/34.

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Camirand, Lemyre Julien. "Nanofabrication de boîtes quantiques latérales pour l'optimisation de qubits de spin." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2012. http://hdl.handle.net/11143/5771.

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Abstract:

On présente dans ce travail un nouveau type de qubit de spin dont les performances reposent sur les propriétés d'un seul électron dans une double boîte quantique. Le fort moment dipolaire de la double boîte combiné à une large variation du champ magnétique entre les deux boîtes permettrait de réaliser des opérations logiques plus rapidement que dans une seule boîte quantique. Pour maximiser les variations du champ magnétique, on utilisera un micro-aimant placé le plus près possible d'une des deux boîtes. À cette fin, une hétérostructure de GaAs/A1GaAs sur laquelle sont déposées des grilles d'aluminium a été utilisée pour former une double boîte quantique latérale. L'occupation par un seul électron de la double boîte est confirmée par des mesures de transport électrique à basse température ainsi que par l'observation du blocage de spin. De plus, un procédé d'oxydation des grilles par plasma d'oxygène a été développé. Une étude des propriétés de l'oxyde formé par cette méthode montre qu'il est possible de placer un micro-aimant directement sur la surface de l'hétérostructure sans affecter l'isolation électrique entre les grilles. Cette nouvelle approche permet de produire des champs magnétiques encore plus intenses que dans les expériences antérieures, pour lesquelles le micro-aimant est placé beaucoup plus loin de la surface. L'ensemble du procédé de fabrication, de la photolithographie à l'électrolithographie, a été développé au cours de ce travail dans les salles blanches du département de génie électrique et dans les salles propres du département de physique de l'Université de Sherbrooke. Ce travail est une étape importante dans la réalisation de qubits de spin plus performants dans les boîtes quantiques latérales.

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Gaudreau, Louis. "Manipulation cohérente de qubits de spin dans une boîte quantique triple." Thèse, Université de Sherbrooke, 2011. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/5157.

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Abstract:

Nous présentons dans cette thèse une étude détaillée du moment magnétique intrinsèque de l'électron, i.e. le spin électronique, incluant la manipulation quantique cohérente des états de spin de trois électrons couplés. À cette fin, nous utilisons des boîtes quantiques latérales pour confiner les électrons. Ces nano-structures, d'une grandeur autour de 1 [micro]m, permettent de confiner un nombre précis d'électrons de façon contrôlée, allant jusqu'à zéro électrons [sic]. Les développements technologiques et d'ingéniosité durant la dernière décennie ont permis de coupler trois boîtes quantiques, ainsi l'interaction entre plusieurs électrons confinés peut être contrôlée comme par exemple le couplage quantique tunnel et l'interaction d'échange entre les spins de chacun d'entre eux. À l'aide de boîtes quantiques couplées, il est possible de réaliser des expériences dans plusieurs domaines de la physique moderne : les états up et down du spin des électrons confinés peuvent être utilisés comme états quantiques binaires (qubits) dans le domaine de l'informatique quantique, la non-localité quantique peut être testée en séparant spatialement deux électrons enchevêtrés, il est possible de créer des 'courants de spin enchevêtrés' utiles en spintronique, et bien d'autres. La manipulation cohérente des états de spin du système à trois électrons se fait de façon purement électrique grâce à des pulses à haute fréquence qui permettent d'augmenter le couplage entre les électrons et de faire la mesure de l'état résultant après la manipulation. Nous utilisons l'interaction hyperfine entre les spins des électrons et ceux des noyaux du cristal dans lequel ils résident pour créer les rotations quantiques entre les états, notamment les états [barre verticale]Q[indice inférieur +3/2] [right angle bracket] et [barre verticale]D[indice inférieur +1/2] [right angle bracket]. Les résultats obtenus indiquent un temps de cohérence de l'ordre de 10 ns. Ces expériences démontrent un niveau de contrôle sans précédent de boîtes quantiques triples et pavent la voie vers des nano-structures plus sophistiquées dans lesquelles un plus grand nombre de qubits peuvent être couplés.

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Godfrin, Clément. "Quantum information processing using a molecular magnet single nuclear spin qudit." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAY015/document.

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Abstract:

La physique quantique appliquée à la théorie de l’information se révèle être pleine de promesses pour notre société. Conscients de ce potentiel, des groupes de scientifiques du monde entier ont pour objectif commun de créer un ordinateur utilisant les principes de la mécanique quantique. La premières étape de cet ambitieux cheminement menant à l’ordinateur quantique est la réalisation du bloc de base de l’encodage quantique de l’information, le qubit. Dans le large choix de qubits existants, ceux utilisant un spin sont très attrayants puisqu’ilspeuvent être lus et manipulés de façon cohérente uniquement en utilisant des champs électriques. Enfin, plus un système est isolé, plus son comportement demeure quantique, ce qui fait du spin nucléaire un sérieux candidat dans la course aux long temps de cohérence et donc aux grands nombres d’opérations quantiques.Dans ce contexte, j’ai étudié un transistor de spin moléculaire. Ce dispositif, placé dans un réfrigérateur à dilution assurant des mesures à 40mK, est composé d’une molécule magnétique TbPc2 couplée à des électrodes (source, drain et grille) et à une antenne hyperfréquence. Il nous a permis de lire à l’aide d’une mesure de conductance, à la fois l’état de spin électronique et nucléaire de l’ion Terbium. Ma thèse se focalise sur l’étude de la dynamique de ces spins et plus particulièrement celle du spin nucléaire 3/2 sous l’influence d’un champ micro-onde. La première étape consiste à mesurer la différence d’énergie entreces quatre états de spin nucléaire pour ensuite parvenir à manipuler de façon cohérente ses trois transitions en utilisant uniquement un champ électrique. Pour caractériser davantage les processus de décohérence à l’origine de la perte de phase des états quantique, j’ai réalisé des mesures Ramsey et Hahn-echo révélant des temps de cohérence de l’ordre de 0.3ms. Ces résultats préliminaires montrent que nous sommes en présence de 3 qubits ayant une figure de mérite supérieure à deux milles, répondant ainsi aux attentes suscitées par l’utilisation d’un spin nucléaire comme bloc de base de l’information quantique.Plus que démontrer expérimentalement la dynamique de trois qubits, ces mesures nous prouvent qu’un spin nucléaire intégré dans une géométrie de type transistor à aimant moléculaire est un système à quatre états contrôlé de façon cohérente. Des propositions théoriques démontrent qu’un traitement quantique de l’information, telle que l’application de portes quantiques et la réalisation d’algorithmes, peuvent être implémentées sur un tel système. Je me suis concentré sur un algorithme de recherche. Il s’agit de la succession d’une porteHadamard, qui crée une superposition cohérente de tous les états de spin nucléaire, et une évolution unitaire qui amplifie l’amplitude d’un état désiré. Il permet une accélération quadratique de la recherche d’un élément dans une liste non ordonnée comparée à un algorithme classique. Pendant ma thèse, j’ai apporté la preuve expérimentale de la faisabilité de cet algorithme de Grover sur un système à plusieurs niveaux. La première étape a été de créer une superposition cohérente de 2, 3 et 4 états par l’application d’un pulsation radio-fréquence. Enfin, j’ai mesuré une oscillation cohérente entre une superposition de trois états et un état sélectionné qui est la signature de l’implémentation de l’algorithme de recherche.En résumé, cette thèse expose la première implémentation d’un algorithme quantique de recherche sur un qudit de type aimant moléculaire. Ces résultats, combinés à la grande polyvalence des molécules magnétiques, sont autant de promesses pour la suite de ce défi scientifique qu’est la construction d’un ordinateur quantique moléculaire
The application of quantum physics to the information theory turns out to be full of promises for our information society. Aware of this potential, groups of scientists all around the world have this common goal to create the quantum version of the computer. The first step of this ambitious project is the realization of the basic block that encodes the quantum information, the qubit. Among all existing qubits, spin based devices are very attractive since they reveal electrical read-out and coherent manipulation. Beyond this, the more isolated a system is, the longer its quantum behaviour remains, making of the nuclear spin a serious candidate for exhibiting long coherence time and consequently high numbers of quantum operation.In this context I worked on a molecular spin transistor consisting of a TbPc2 singlemolecule magnet coupled to electrodes (source, drain and gate) and a microwave antenna. This setup enabled us to read-out electrically both the electronic and the nuclear spin states and to coherently manipulate the nuclear spin of the Terbium ion. I focus during my Ph.D. on the study of the spins dynamic and mainly the 3/2 nuclear spin under the influence of a microwave pulse. The first step was to measure the energy difference between these statesleading in a second time to the coherent manipulation of the three nuclear spin transitions using only a microwave electric field. To further characterize the decoherence processes that break the phase of the nuclear spin states, I performed Ramsey and Hahn-echo measurements. These preliminary results show that we were in presence of three qubits with figure of merit higher than two thousands, thus meeting the expectations aroused by the use of a nuclearspin as the basic block of quantum information.More than demonstrating the qubit dynamic, I demonstrated that a nuclear spin embedded in the molecular magnet transistor is a four quantum states system that can be fully controlled, a qudit. Theoretical proposal demonstrated that quantum information processing such as quantum gates and algorithms could be implemented using a 3/2 spin. I focused on a research algorithm which is a succession of an Hadamard gate, that creates a coherent superposition of all the nuclear spin sates, and an unitary evolution, that amplified the amplitude of a desired state. It allows a quadratic speed-up to find an element in an unordered list compared to classical algorithm. During my Ph.D., I demonstrated the experimental proof of feasibility of this Grover like algorithm applied to a multi-levels system. The first step was to experimentally create coherent superposition of 2, 3 and 4 states. Then I measured coherent oscillations inbetween a 3 state superposition and a selected state which is the signature of the research algorithm implementation.In summary, this Ph.D. exposed the first quantum search algorithm on a single-molecule magnet based qudit. These results combined to the great versatility of molecular magnet holds a lot of promises for the next challenge: building up a scalable molecular based quantum computer

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Elman, Samuel. "Long-range entanglement for spin qubits via quantum Hall edge modes." Thesis, The University of Sydney, 2017. http://hdl.handle.net/2123/17165.

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Abstract:

We propose and analyse a scheme for performing a long-range entangling gate for qubits encoded in electron spins trapped in semiconductor quantum dots. Our coupling makes use of an electrostatic interaction between the state-dependent charge configurations of a singlet-triplet qubit and the edge modes of a quantum Hall droplet. We show that distant singlet-triplet qubits can be selectively coupled, with gate times that can be much shorter than qubit dephasing times and faster than decoherence due to coupling to the edge modes. Based on parameters from recent experiments we argue that fidelities of $99\%$ could in principle be achieved, for a two-qubit gate taking as little as 20 ns

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Fraval, Elliot. "Minimising the decoherence of rare earth ion solid state spin qubits /." View thesis entry in Australian Digital Theses Program, 2005. http://thesis.anu.edu.au/public/adt-ANU20061010.124211/index.html.

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Venitucci, Benjamin. "Modélisation de la manipulation électrique des qubits de trou dans le silicium." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALY059.

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Abstract:

Les bits quantiques (qubits) de spin sont des dispositifs dans lesquels l'information est stockée comme une superposition cohérente des deux états de spin d'une particule. Une des perspectives de ces dispositifs est d'exploiter le parallélisme massif permis par une telle superposition de solutions. Le CEA Grenoble étudie notamment des qubits de spin de trou dans le silicium, car leur manipulation électrique est plus facile que les qubits d'électron grâce au couplage spin-orbite fort dans les bandes de valence. Cette thèse porte ainsi sur la modélisation de la manipulation électrique de ces qubits de trou. Tout d'abord, nous introduisons les méthodes k.p décrivant la structure des bandes de valence du silicium, et qui permettent de construire des modèles numériques et analytiques. Puis nous présentons les expériences menées au CEA Grenoble sur ces qubits dérivés des technologies CMOS. Ces expériences mettent en évidence les fortes anisotropies magnétiques des fréquences de Larmor et de Rabi, qui caractérisent respectivement la dynamique et la manipulation du qubit. Nous introduisons un formalisme de matrice gyromagnétique qui décrit complètement ces deux fréquences. De plus, nous montrons comment les symétries impactent la forme de cette matrice, et comment elles expliquent l'anisotropie magnétique des qubits. Ensuite, nous identifions grâce à la simulation numérique, les mécanismes microscopiques à l'œuvre lors de la manipulation électrique du spin, ce qui nous permet de construire un modèle minimal de qubit de trou. Ce modèle démontre que le silicium est un matériau hôte idéal pour un tel qubit grâce à la forte anisotropie de ces bandes de valence. Pour terminer, nous étudions numériquement l'impact des phonons sur le temps de vie des qubits de trou. Nous montrons que le temps de relaxation est suffisamment grand pour effectuer plusieurs dizaines de milliers d'opérations malgré le couplage spin-orbite fort
Spin quantum bits (qubits) are devices in which information is stored as a coherent superposition of two spin states of a particle. One of the perspectives of these devices is to exploit a massive parallelism allowed by such a superposition of solutions. The CEA Grenoble is studying in particular hole spin qubits in silicon, because their electrical manipulation is easier than electron qubits thanks to the strong spin-orbit coupling of the valence bands. This thesis thus focuses on the modeling of the electrical manipulation of these hole qubits. First of all, we introduce the k.p methods that describe the valence bands structure of silicon, and which allow to build numerical and analytical models. Then we present the experiments carried out by CEA Grenoble on these qubits derived from CMOS technologies. These experiments reveal the strong magnetic anisotropy of the Larmor and Rabi frequency, which respectively characterise the dynamic and the manipulation of the qubit. We introduce a gyromagnetic matrix formalism that completely describe these two frequencies.In addition, we show how symmetries impact the shape of this matrix, and how they explain the magnetic anisotropy of qubits. Next, we identify through numerical simulation, the microscopic mechanisms underlying the electrical manipulation of spin, which then allow us to build a minimal model for hole qubits. This model demonstrates that silicon is an ideal host material for a such qubit thanks to the strong anisotropy of its valence bands. Finally, we study numerically the impact of phonons on the lifetime of hole qubits. We show that the relaxation time is large enough to perform tens of thousand of operations despite the strong spin-orbit coupling

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Rohling, Niklas [Verfasser]. "Quantum Computing with Spin and Valley Qubits in Quantum Dots / Niklas Rohling." Konstanz : Bibliothek der Universität Konstanz, 2015. http://d-nb.info/1095134507/34.

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Hadden, J. P. "Photonic structures and techniques for enhanced measurement of spin qubits in diamond." Thesis, University of Bristol, 2013. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.664971.

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Abstract:

The negatively charged nitrogen vacancy centre is a promising candidate for use as a single photon source for linear optical quantum information, and as a solid state spin for solid state quantum information and room temperature magnetometry. However low photon collection efficiency is a problem for each of these applications. We demonstrate how photon losses due to refraction can be eliminated through the use of Solid Immersion Lenses (SILs) nano-fabricated on the surface of diamond. Coherent electron spin manipulation and readout is demonstrated on NV- centres under SILs. We show initial investigations into the effects of FIB fabrication on the NV- centre's coherence time, and demonstrate unitary quantum process discrimination on between two non orthogonal processes. In order to improve collection efficiency further it is necessary to couple NV- centres to optical micro cavities. This requires a higher degree of precision in the measurement of the NV- centres position than is possible using conventional confocal microscopy. We investigate spectral self interferometric microscopy as a method for precision measurement of the depth of an NV- centre. Finally we show coherent manipulation of photons emitted from a near infra-red colour centre in diamond using a single integrated waveguide chip. This is used to verify wave particle duality of the photons.

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Filidou, Vasileia. "Entangling nuclear spins using photoexcited triplet states." Thesis, University of Oxford, 2012. http://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:7c30ec89-f638-4cc0-9404-7300b93c6cd6.

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Abstract:

Entanglement is one of the most technologically important quantum phenomena and its con-trolled creation brings us a step closer to the realisation of a quantum computer. Hybrid electron and nuclear spin systems which combine long nuclear decoherence times with the high polarisation and rapid processing times of electron spins are considered reliable candidates for the representation of the fundamental building block of a quantum computer, the qubit. In the literature electron spins quite often play the role of a mediator which can access, manipulate and couple states with long coherence times, beneficial for storing quantum information. Despite the fact that an electron spin can be a useful resource for nuclear spin systems, its permanent presence can be a source of decoherence. The use of transient photoexcited electron spins provide an additional advantage and once the operations which involve the electron spin are completed, the electron spin can decay and not interfere further with the evolution of the system. In this thesis we report magnetic resonance experiments and density functional theory calculations for the demonstration of nuclear - nuclear entanglement using photoexcited triplet states. We study homonuclear and heteronuclear fullerene derivatives and we identify in each case the relevant parameters that can lead to high fidelity entangling operations. The hyperfine interaction in a homonuclear system is the key parameter which determines the degree of entanglement between the nucelar spins according to a recent theoretical proposal. We measure and calculate the hyperfine interaction in homonuclear systems with ¹³C nuclear spins in order to prove the feasibility of this scheme. Further experiments on a fullerene system with two nuclear spins a ³¹P and a ¹H show that entangling operations of high fidelity which involve the demonstration of CNOT gates, are possible within the lifetime of the triplet state.

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Thalineau, Romain. "Qubits de spin : de la manipulation et déplacement d'un spin électronique unique à son utilisation comme détecteur ultra sensible." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00875970.

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Abstract:

Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique.

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Tiwari, Rakesh P. "Topics in the theory of excitations in granular matter." The Ohio State University, 2010. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1259970038.

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Walsh, Michael P. Ph D. Massachusetts Institute of Technology. "Microwave and optical control of sub-diffraction spin qubits in diamond at cryogenic temperatures." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2015. http://hdl.handle.net/1721.1/101591.

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Abstract:

Thesis: S.M., Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering and Computer Science, 2015.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 87-91).
Efficient entanglement of negative nitrogen vacancy (NV) centers in diamond will bring us significantly closer to realizing a large scale quantum network, including the design and development of quantum computers. A central requirement for generating large-scale entanglement is a system that can be entangled at a rate faster than it decoheres. There are a variety of proposed protocols to implement entanglement, however, thus far implementation of a system that performs efficiently enough in practice to overcome decoherence has been unsuccessful. In this thesis, I laid the ground work to entangle two NVs using a dipole coupling protocol, a protocol that has the advantageous property of not requiring use of identical photons, making this experimental approach highly feasible. The actual experiment will be done at cryogenic temperatures, a condition that provides an advantage over room temperature realizations of the protocol by extending coherence time and improving readout speed and fidelity. The ultimate goal of this work is to determine if this is achievable in a scalable architecture that will establish a foundation for future experiments in this research and development area.
by Michael P. Walsh.
S.M.

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Russ, Maximilian [Verfasser]. "Quantum information processing in semiconductor quantum dots using single and multi-spin qubits / Maximilian Russ." Konstanz : KOPS Universität Konstanz, 2019. http://d-nb.info/1191693406/34.

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Dissertations / Theses on the topic 'Spin qubit'

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