Le choix technologique dans l'écoconception d'architectures IA
Les systèmes électroniques ont un impact environnemental significatif en termes de consommation de ressources, d’émissions de gaz à effet de serre et de déchets électroniques, qui connaissent tous une tendance à la hausse massive. Une grande partie de l'impact est due à la production, et plus particulièrement à la fabrication de circuits intégrés, qui devient de plus en plus complexe, gourmande en énergie et en ressources avec les nouveaux nœuds technologiques. La technologie employée pour l'implémentation d'un circuit a des effets directs sur les coûts environnementaux pour la production et l'usage, la durée de vie du circuit et les possibilités de plusieurs cycles de vie dans une perspective d'économie circulaire. Le choix technologique devient donc une étape indispensable de la phase d'écoconception d'un circuit.
La thèse vise à intégrer l'exploration de différentes technologies dans un flot d'éco-conception de circuit intégré. Le travail a pour objet la définition d’une méthodologie pour une intégration systématique du choix technologique dans le flot, avec identification de la meilleure configuration de l’architecture implémentée pour une maximisation de la durée de vie et la prise en compte des stratégies d’économie circulaire. Les architectures visées par la thèse rentrent dans le domaine de l’IA embarqué, qui connait une tendance de déploiement à la hausse et comporte des défis sociétaux majeures. La thèse constituera une première étape de recherche vers une IA embarquée soutenable.
Développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur silicium pour le calcul quantique photonique
Le développement de technologies quantiques constitue un enjeu majeur pour l’avenir, en particulier pour les communications inviolables et pour les processeurs de calcul quantique offrant une puissance inégalée. Les bits quantiques photoniques (sous forme de photons uniques), du fait de leur excellente robustesse à la décohérence, sont des candidats très prometteurs pour ces applications. Nous développons au CEA-LETI une technologie de photonique quantique intégrée sur des substrats de silicium, donc industrialisable, comprenant différentes briques clés de génération, manipulation et détection de qubits photoniques.
Le sujet de thèse concerne le développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés, sensibles à la présence d’un seul photon, qui sont des composants indispensables pour le calcul quantique photonique. L’objectif de cette thèse sera tout d’abord de concevoir des détecteurs de photons uniques intégrés sur des guides d’onde à très faibles pertes utilisés pour le cœur du processeur de calcul quantique, de développer un procédé de fabrication en salle blanche compatible avec la plateforme photonique sur silicium existante et de caractériser leurs figures de mérite (efficacité de détection, coups d’obscurité, performances temporelles) à l’aide de laser atténués. L’objectif final de la thèse sera d’intégrer des petits circuits comprenant plusieurs détecteurs sur une même puce afin de caractériser la pureté et l’indiscernabilité entre photons uniques émis par une même source à boites quantiques développée en parallèle au CEA-IRIG, également situé sur le centre de Grenoble.
Ce travail de thèse sera effectué en collaboration entre le CEA-Leti et le CEA-IRIG et constituera une brique stratégique, nécessaire aux futures générations de calculateur quantique photonique comportant plusieurs dizaines de qubits.
Intégration de dispositifs quantiques sur hétérostructures Ge/SiGe
La réalisation de qubits de spin à partir de boites quantiques semiconductrices est activement explorée pour la mise au point de processeurs quantiques. S’appuyant sur les procédés de fabrication éprouvés de l'industrie microélectronique, cette technologie offrirait un passage à l’échelle plus rapide que d’autres technologies concurrentes. Récemment, des qubits directement dérivés de plateformes industrielles ont été démontrés, par exemple en technologie FDSOI au CEA-Leti ou sur technologie FinFET à Intel. Cependant, ces dernières souffrent de la présence d'une interface Si/SiO2 au plus proche des qubits, source d’un important désordre électrostatique.
Une alternative consiste à utiliser des hétérostructures semiconductrices à base d'empilements de Ge/SiGe. Cela permet le confinement des charges entre des interfaces cristallines, réduisant ainsi drastiquement l’impact du désordre électrostatique sur les qubits. De plus, la faible masse effective des porteurs dans le Ge permet de travailler avec des dimensions plus relâchées, et le fort couplage spin-orbite offre un moyen de manipuler les spins sans intégration d'éléments externes de contrôle.
La thèse portera sur le développement d'une filière quantique au CEA-Leti basée sur ces hétérostructures Ge/SiGe. Un premier axe de travail consistera à fabriquer sur coupons des structures de test de type barre de Hall et effectuer des mesures de mobilité à basse température pour optimiser la qualité des substrats et des matériaux utilisés dans les empilements de grilles.
En parallèle, une filière sur substrats 200mm reposant sur de la lithographie eBeam sera progressivement mise en place pour la fabrication de réseaux uni- et bidimensionnels de boîtes quantiques.
Le travail de thèse se fera en collaboration étroite entre les équipes des salles blanches du CEA-Leti et les équipes de physique du CEA-Irig.
le centre coloré W : un émetteur pour la photonique quantique intégrée sur silicium
L’intégration sur une puce silicium sur isolant (SOI) de tous les composants nécessaires à la génération, à la manipulation et à la détection de bits quantiques photoniques est aujourd’hui considérée comme la voie la plus prometteuse pour le "passage à l'échelle" de l’ingénierie photonique quantique. Cependant, jusqu’à présent, l’absence d’une source de photons uniques à la demande dans le silicium a empêché la pleine exploitation de cette stratégie.
Ce projet de thèse vise à développer une telle source de photons uniques, intégrée dans une puce photonique SOI. La source exploitera l'émission spontanée d'un défaut ponctuel unique dans le silicium, le centre coloré W, dont la capacité à émettre des photons uniques a été démontrée en 2022 par PHELIQS et ses partenaires. Nous placerons un centre W unique au cœur d'une microcavité optique. Grâce à l'effet Purcell, un effet quantique de microcavité, les photons uniques seront tous préparés dans le même état quantique et efficacement canalisés dans un guide d'onde. Afin de construire de tels systèmes couplés émetteur-cavité avec un taux de réussite élevé, nous développerons tout d'abord des réseaux ordonnés de centres W isolés par implantation ionique localisée de tranches SOI. À la fin du projet, nous réaliserons comme preuve de principe une expérience d'optique quantique intégrée, avec des sources de photons uniques W et des détecteurs de photons uniques fabriqués sur une même puce SOI.
Le doctorant sera principalement en charge de l'étude des centres W et des effets de cavité par spectroscopie optique avancée. Il/elle sera également impliqué dans les développements technologiques.
Couplage spin-photon et électrodynamique quantique dans des architectures semiconductrices hybrides
Les années récentes ont vu d'énormes progrès dans le développement des technologies quantiques capables de mesurer et de contrôler des degrés de liberté quantiques dans des dispositif à l'état solide solide. Dans ce contexte, le CEA de Grenoble a été un pionnier dans la démonstration d'une architecture hybride CMOS dans laquelle un seul photon piégé dans un résonateur supraconducteur est fortement couplé au spin d'un trou unique confiné dans une double boîte quantique [1,2]. Cette expérience ouvre des perspectives importantes pour le développement de nouvelles architectures d'électrodynamique quantique avec des circuit hybrides où les photons peuvent sonder, intriquer et contrôler l'état quantique de spins éloignés.
Le potentiel de ces plateformes pour les technologies quantiques reste à évaluer d'un point de vue théorique, en particulier pour les applications au calcul et à la simulation quantique. Contrairement aux qubits purement supraconducteurs, le mécanisme de couplage spin-photon fort repose sur la présence d'une interaction spin-orbite importante dans la bande de valence du silicium.
Cette thèse de doctorat renforcera l'activité théorique du CEA sur ce sujet et étudiera comment optimiser les protocoles de lecture et de manipulation pour des architectures basées sur le silicium et le germanium. Un effort particulier sera consacré à la modélisation quantitative du couplage spin-photon et à l'étude des mécanismes limitants les performances de ces dispositifs (bruit quantique). Nous examinerons également les effets de l'interaction entre plusieurs spins couplés par le biais d'un ou plusieurs résonateurs.
[1] Strong coupling between a photon and a hole spin in silicon, Cécile X. Yu, Simon Zihlmann, José C. Abadillo-Uriel, Vincent P. Michal, Nils Rambal, Heimanu Niebojewski, Thomas Bedecarrats, Maud Vinet, Étienne Dumur, Michele Filippone, Benoit Bertrand, Silvano De Franceschi, Yann-Michel Niquet and Romain Maurand, Nature Nanotechnology 18, 741 (2023)
[2] Tunable hole spin-photon interaction based on g-matrix modulation, V. P. Michal, J. C. Abadillo-Uriel, S. Zihlmann, R. Maurand, Y.-M. Niquet, and M. Filippone, Phys. Rev. B 107, L041303 (2023)