Calibration automatique de boites quantiques assistée par réseaux de neurones et modèle physique
Les ordinateurs quantiques offrent de grandes promesses pour faire progresser la science, la technologie et la société en résolvant des problèmes au-delà des capacités des ordinateurs classiques. L'une des technologies de bits quantiques (qubits) les plus prometteuses est celle des qubits de spin, basés sur des boîtes quantiques (BQ) tirant parti de la grande maturité et de l'évolutivité des technologies des semi-conducteurs. Cependant, l'augmentation du nombre de qubits de spin nécessite de surmonter d'importants défis d'ingénierie, tels que la calibration de charge d'un très grand nombre de BQ. Le processus de calibration des BQ implique de multiples étapes complexes qui sont actuellement effectuées manuellement par les expérimentateurs, ce qui est long et fastidieux. Il est maintenant crucial de résoudre ce problème afin d'accélérer la R&D et de permettre la réalisation d’ordinateurs quantiques à grande échelle.
L'objectif de ce projet de post-doctorat est de développer un logiciel de calibration automatique de BQ combinant un réseau de neurones bayésien (BayNN) et un modèle physique reproduisant le comportement des dispositifs du CEA-Leti. Cette approche innovante tirant parti des estimations d'incertitude des BayNN et l’aspect prédictif du modèle permettra d’obtenir une solution de calibration automatique rapide et robuste aux non-idéalités des BQ.
Conception d'interfaces capteur reconfigurables à la volée basées sur des réseaux d'oscillateurs.
La production de capteurs faible coût et la montée en puissance de la 5G et de la future 6G sont responsables d’une explosion des applications des réseaux de capteurs sans fil. Il est indispensable de concevoir des circuits d’interfaces capteurs ultra-faible consommation afin d réduire l’impact énergétique de ces applications. Une solution vise à mettre l’intelligence artificielle au plus près du capteur afin de réduire les transmissions de données inutiles. Dans ce cadre-là, il y a un fort intérêt à développer des interfaces capteur reconfigurables afin de diminuer les coûts de développement d’une part et surtout de permettre une reconfiguration à la volée dans l’application en fonction de l’environnement afin d’aider à l’adaptation de l’algorithme d’IA embarqué, en fonction du contexte.
Le postdoc contribuera à la conception d’un circuit intégré CMOS intégrant une interface multi-capteurs, totalement reconfigurable en gain, bande passante et implémentant des convertisseurs analogique-numérique et/ou un réseau de neurone reconfigurables à la volée en terme de poids et connectivité. Pour cela le Post Doc s’appuiera sur les travaux du CEA-Leti qui a démontré la faisabilité d’un traitement du signal dans le domaine temporel à partir d’oscillateurs verrouillés par injection. Il travaillera à la fabrication et au test d’un prototype de réseau d’oscillateurs et démontrera les aspects ultra-faible consommation et de reconfigurabilté sur un exemple d’implémentation d’une application audio de reconnaissance de mots clefs ultra-faible consommation. Le poste est ouvert au sein du laboratoire LGECA du CEA-Leti, laboratoire dédié à la conception de circuits intégrés analogiques et mixtes pour les applications capteur.
Résonateurs optomécaniques en régime chaotique pour la cryptographie dans les datacoms optiques
L’objectif du post doc est d’explorer l’utilisation de résonateurs optomécaniques placés en régime chaotique pour sécuriser des communications optiques. Il s'inscrit dans une action d'amorçage du programme recherche à risque du CEA sélectionnée en juillet 2024. Un point clef concerne l’obtention d’un régime fortement non-linéaire, favorisé par des géométries spécifiques, nécessaire à la richesse du chaos. L’exploitation des propriétés uniques du chaos pour le transfert de données sécurisé sera explorée par le post doctorant au sein d’un groupe de travail.
Avec l’avènement de l’ordinateur quantique, les techniques actuelles sécurisant l’échange d’informations deviennent en grande partie compromises, nécessitant le développement de techniques de cryptographie post-quantique. Au-delà des approches logicielles, de nouveaux concepts matériels ont vu le jour, tels que la cryptographie chaotique. Dans ce contexte, il devient indispensable de développer des sources de chaos qui soient de haute qualité (richesse de l’espace des paramètres), compatibles avec les systèmes de communication existants et compactes. Alors que les lasers sont une source connue de chaos, les systèmes optomécaniques paraissent spécialement adaptés à cette application car le domaine mécanique apporte un espace de paramètres enrichi, tout en conservant un débit de données élevé et une connexion directe avec les systèmes de communications optiques. Le post doctorant explorera la pertinence de dispositifs optomécaniques chaotiques pour implémenter une cryptographie matérielle.
Simulation du transport thermique à des températures sub-Kelvin
La gestion thermique dans les ordinateurs quantiques est une tâche urgente et cruciale. Alors que le nombre de qubits augmente rapidement, davantage de circuits électriques sont placés près des qubits pour les faire fonctionner. Le chauffage par effet Joule de ces circuits pourrait considérablement réchauffer le dispositif de qubit, dégradant ainsi sa fidélité. Avec une activité intensive dans le domaine de l'informatique quantique à Grenoble, nous (CEA-LETI, Grenoble, France) recherchons un chercheur post-doctorant enthousiaste pour étudier le transport thermique à des températures cryogéniques (sous-Kelvin).
Le post-doctorant appliquera la fonction de Green hors équilibre par éléments finis [1], développée dans le groupe de Natalio Mingo au CEA-Grenoble, pour simuler le transport des phonons dans diverses structures conçues. Le résultat de la simulation favorisera la comparaison avec les expériences en cours et les discussions constructives afin d'optimiser la gestion thermique.
[1] C. A. Polanco, A. van Roekeghem, B. Brisuda, L. Saminadayar, O. Bourgeois, and N. Mingo, Science Advances 9, 7439 (2023).
Modélisation du bruit de charge dans les qubits de spin
Grace à de forts partenariats entre plusieurs instituts de recherche, Grenoble est pionnière dans le développement de futurs technologies à base de qubits de spin utilisant des procédés de fabrication identiques à ceux utilisés dans l’industrie de la microélectronique silicium. Le spin d’un qubit est souvent manipulé avec des signaux électriques alternatifs (AC) grâce à divers mécanismes de couplage spin-orbite (SOC) qui le couplent à des champs électriques. Cela le rend également sensible aux fluctuations de l'environnement électrique du qubit, ce qui peut entraîner une grande variabilité de qubit à qubit et du bruit de charge. Le bruit de charge dans les dispositifs à qubits de spin provient potentiellement d'événements de chargement/déchargement au sein des matériaux amorphes et défectueux (SiO2, Si3N4…) et des interfaces des dispositifs. L'objectif de ce postdoc est d'améliorer la compréhension du bruit de charge dans les dispositifs à qubits de spin grâce à des simulations à différentes échelles. Ce travail de recherche se fera à l’aide de méthode de type ab initio et également grâce à l’utilisation du code TB_Sim, développé au sein de l’institut CEA-IRIG. Ce dernier est capable de décrire des structures de qubits très réalistes en utilisant des modèles de liaison forte atomique et multi-bandes k.p.
Conception et réalisation du contrôle magnétique de matrices de 1 000 qubits
L’ordinateur quantique est aujourd’hui un axe fort de recherche au CEA-LETI et dans de nombreux instituts et entreprises à travers le monde. En particulier, des champs magnétiques hautes fréquences localisés permettent de contrôler l’état de spin des qubits. Le passage à grande échelle (plus de 1 000 qubits) de cette technique de manipulation représente un véritable challenge technologique.
L’analyse bibliographique et les études déjà réalisées permettront de faire ressortir les avantages et les inconvénients des différentes techniques de contrôle. En collaboration avec les équipes d’intégration technologique, de simulation et de conception, de nouveaux développements technologiques et différents designs pourront être proposés pour mettre à profit les procédés disponibles (assemblages 3D, matériaux supraconducteurs…) et aboutir à la réalisation d’une preuve de concept pour le contrôle de qubits.
Développement de substrats grande surface pour l’électronique de puissance
L’amélioration des performances des composants en électronique de puissance constitue un enjeu majeur pour la réduction de notre consommation d’énergie. Le diamant apparaît comme le candidat ultime pour l’électronique de puissance. Cependant les petites dimensions et le prix des substrats sont des freins à l’utilisation de ce matériau. L’objectif principal du travail est de dépasser ces deux difficultés en découpant les échantillons en couches minces par SmartCut™ et en réalisant un pavage de ces couches minces pour obtenir des substrats compatibles avec la microélectronique.
Pour cela, différentes expériences seront réalisées en salle blanche. Dans un premier temps, il faudra fiabiliser le procédé SmartCut™. Des caractérisations du type microscopie optique, AFM, MEB, Raman, XPS, électriques… seront réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans ce procédé.
Le candidat pourra être amené à travailler sur les autres matériaux grand gap étudiés au laboratoire comme le GaN et le SiC ce qui lui permettra d’avoir une vision élargie sur les substrats pour l’électronique de puissance.
Conception de Matrice 2D pour Calcul Quantique sur Silicium avec Validation par Simulation
L'objectif est de concevoir une structure matricées 2D pour le calcul quantique sur silicium afin d'envisager des structures de plusieurs centaines de Qubits physique.
En particulier le sujet sera focalisé sur :
- La fonctionnalité de la structure (interaction coulombienne, RF et quantique)
- Les contraintes de fabrication (simulation et contrainte de procédé réaliste)
- La variabilité des composants (Prise en compte de paramètre de variabilité et défectivité réaliste)
- Les contraintes induites sur les algorithmes (code de correction d'erreur)
- Scalabilité de la structure vers des milliers de Qubit physiques
Le candidat travaillera au sein d'un projet de plus de cinquante personnes avec des expertises couvrant la conception, la fabrication, la caractérisation et la modélisation des qubits de spin ainsi que des disciplines connexes (cryoélectronique, algorithmes quantiques, correction d'erreurs quantiques, …)
Effet de la présence de TSV sur la fiabilité des interconnexions dans le cadre des capteurs photographiques 3 couches
Parce que la réduction des dimensions basée sur la loi empirique de Moore a atteint ses limites, une technologie d'intégration alternative, telle que l'intégration tridimensionnelle (3DI) devient le courant dominant pour de plus en plus d'applications telles que les capteurs d'image CMOS (CIS), les mémoires... La 3ème génération de CIS empile jusqu'à 3 puces interconnectées par une liaison hybride (hybrid bonding) et des vias traversant le silicium - haute densité (TSV-HD). Le bon fonctionnement et l'intégrité des dispositifs et des circuits doivent être maintenus dans une telle intégration, en particulier dans le voisinage proche des TSVs. Le budget thermique, la dilatation du cuivre (Cu pumping/protrusion), le gauchissement des plaquettes de silicium minces peuvent entraîner des problèmes de rendement électrique et de fiabilité et doivent être, en conséquence, étudiés.
Le travail consiste à évaluer l'impact du TSV sur les performances et la fiabilité (électromigration, claquage diélectrique, BTI...) des interconnexions (BEOL) et des composants actifs (FEOL). Les données acquises permettront de définir des règles de conception et en particulier une zone interdite/d'exclusion potentielle (KOZ) et de calibrer un modèle éléments finis.
Développement de sondes de force optomécaniques pour l’AFM rapide
Le sujet proposé s’inscrit dans le cadre d’un projet CARNOT ayant pour objectif le développement d’une nouvelle génération de sondes de force basées sur une transduction optomécanique. Ces capteurs de force seront mis en place dans des microscopes AFM ultra rapides pour de l’imagerie et de la spectroscopie de force. Ils permettront notamment d’adresser des applications biologiques et biomédicales sur des échelles de temps sub-microseconde, voire nanoseconde en mode spectroscopie de force.
Des premières sondes de force optomécaniques VLSI sur silicium ont été conçues et fabriquées dans les salles blanches quasi-industrielles du LETI et ont donné lieu à des premières preuves de concept pour l’AFM rapide. Le post doctorant aura pour mission la préparation des sondes de force en vue de l’intégration de celles-ci dans un AFM rapide développé par notre partenaire au CNRS LAAS (Toulouse). Il sera en charge des opérations back end, de la libération des structures, de leur observation (SEM, microscopies), jusqu’au packaging optique avec des férules à base de fibres optiques. Il participera également au développement d’un banc de test des composants avant et après packaging pour sélectionner les composants et valider les sondes avant intégration dans un AFM.
Le post doctorant s’intéressera également au fonctionnement de la sonde en milieu liquide pour permettre ultérieurement des études AFM de phénomènes biologiques : pour cela, le développement d’un actionnement efficace (électrostatique, thermique ou optique) de la structure mécanique pourra être réalisé et appliqué expérimentalement. Un retour sur la modélisation et le design pourra ainsi être proposé à partir des mesures, afin d’assurer la compréhension de tous les phénomènes physiques observés. Enfin, le post-doctorant pourra proposer de nouveaux designs visant les hautes performances attendues. Ces dispositifs seront fabriqués par la salle blanche du Leti, puis seront testés et comparés aux performances attendues.