Thèse Intrication Entre Spins Distance par Photon Micro-Onde H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS
Direction de la thèse : Romain MAURAND ORCID 0000000177851186
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59

Le couplage cohérent et fort entre les photons et les qubits à l'état solide, sous la forme de l'électrodynamique quantique en circuit (cQED), a été exploité pour la réalisation de portes à deux qubits et pour la lecture quantique non destructive (QND) de haute fidélité, composants essentiels des plateformes de qubits supraconducteurs. Ce projet de thèse propose d'étendre le paradigme 'cQED' aux qubits de spin dans des boîtes quantiques semi-conductrices afin de tirer parti du niveau exceptionnel de contrôle et de lecture quantiques offert par les architectures cQED. À cette fin, le projet s'appuiera sur un assemblage à puces retournées nouvellement développé au sein du laboratoire d'accueil. Cet assemblage se fait entre une puce de circuit supraconducteur micro-ondes et une puce de qubit de spin semi-conductrice et garantie de faibles pertes micro-ondes pour ce dispositif de cQED hybride. Le projet se concentrera sur le développement de filtres de Purcell dans un environnement à haute impédance et sur l'intégration d'un amplificateur paramétrique dans un dispositif cryogénique de mesure de qubit de spin. Toutes ces améliorations visent à la réalisation de portes à deux qubits et de lectures QND de haute fidélité pour des qubits de spin. À terme, le projet de thèse devrait permettre de tester les inégalités de Bell à partir de qubit de spin.

The proposed PhD thesis project focuses on spin quantum bits in gate-defined semiconductor quantum dots. The present project proposes to explore the possibility to use circuit quantum electrodynamics (cQED) for high-fidelity long-distance spin entanglement. cQED has proven to be an extremely powerful architecture for superconducting quantum circuits due to the its extensive control and readout capabilities. Worldwide, growing interest in GaAs, silicon, germanium and graphene based quantum dots cQED hybrid devices has emerged over the last decades [1-8]. Strong photon coupling to both charge and spin excitations in a double quantum dot (DQD) have been demonstrated [2-8] as well as resonant spin-spin interaction [9] and even iSWAP operation between distant electron spins [10] paving the way for complex spin cQED experiments. In practice, cQED architectures could provide two main direct benefits for spin qubit processors. First, it should offer a viable route for long distance spin qubit entanglement via a photonic quantum bus. Second, it should allow for fast quantum non-demolition (QND) spin-qubit readout, faster than conventional spin readout methods. In this context, CEA-Pheliqs demonstrated for the first time the strong coupling between a microwave photon and a hole spin in a silicon associated with record cooperativities for a spin cQED architecture. More recently, Pheliqs also demonstrated that, even coupled to MW photons, spin qubit can show single qubit gate fidelities above 99.5% and that coherence limits are all from photonic nature. All together, these results represent solid foundations for the scientific target, which we propose to explore within this PhD project: Can we realize a long-range spin entanglement mediated by a microwave photon? Can we harness this interaction to perform high-fidelity two-qubit gates for the demonstration of the violation of the Bell inequality in a hole-spin cQED system?

study of the light/matter interaction at the level of a single spin and its use to achieve long-distance spin-spin entanglement.

The PhD project will be rich in experimental developpement with flip-chip integration, microwave circuit design and fabrication. In term of physcis, the project is located at the fontier of semiconductor quantum dot physcis, quantum electrodynamics and quantum information processing. To be succesfull, these different physics fields will be mastered to find the best strategy to realize remote spin spin entanglement.