Service de Physique de l'Etat Condensé

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Réalisation de circuits quantiques par pulvérisation et gravure de NbTiN
Realization of quantum circuits by reactive sputtering and etching of NbTiN

Spécialité

Sciences et technologies des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

16-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 73 41/55 29

Résumé/Summary

Le but est de développer un procédé de fabrication de résonateurs microondes de haut Tc, de haut facteur de qualité, résistant au champ magnétique, et sans contrainte deans le substrat à basse température.
The goal is to develop a fabrication process of microwave resonators with high Tc, high quality factor, robust against magnetic field, et with no stress in the substrate at low temperature.

Sujet détaillé/Full description

Le groupe Quantronique du CEA-Saclay réalise des circuits quantiques supraconducteurs pour le traitement quantique de l’information et pour manipuler et détecter des spins électroniques et nucléaires implantés sous ces circuits. La pulvérisation réactive et la gravure de nitrure de niobium titane (NbTiN) est un choix approprié pour ces applications, étant donné la relativement haute température critique de supraconductivité du matériau, sa robustesse vis-à-vis d’un champ magnétique extérieur appliqué, et la possibilité d’annuler les contraintes sous le circuit.

Nous recrutons donc un stagiaire de fin d’étude formé aux matériaux et aux procédés d’élaboration et de caractérisation de couches minces.
The Quantronics group of CEA-Saclay makes quantum superconducting circuits for quantum information processing and to manipulate and detect electronic and nuclear spins implanted in a cristal. Reactive sputtering and etching of niobium titanium nitride (NbTiN) is an appropriate choice for these circuits, given the relatively high Tc of the material, its non too high kinetic inductance, its robustness against static mgnetic field, and the possibility to cancel stress below the circuit at low temperature.
We thus recruit an end-of-course intern with knowledge on materials and thin film fabrication and characterization.

Mots clés/Keywords

circuits quantiques
quantum circuits

Compétences/Skills

Pulvérisation magnétron réactive, gravure réactive, gravure chimique, mesure de résistance 4 points, Tc(B) , mesure de facteur de qualité à l'analyseur vectoriel, etc.
Reactive sputtering, Reactive ion etching, Chemical etching, 4 probe measurements, Tc(B) measurements, quality factor measurement using vectorial network analyzers, etc

Logiciels

labview, pythton,
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Circuit quantique hybride couplant un spin électronique à une cavité supraconductrice
Hybrid quantum circuits coupling an electronic spin to a superconducting cavity.

Spécialité

Circuit et composant électroniques

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

16-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 73 41/55 29

Résumé/Summary

Stage de master 2 destiné à être poursuivi par une thèse en cotutelle des universités de Paris-Saclay (France) et de Sherbrooke (Canada). Le but est de coupler un spin électronique unique à une cavité supraconductrice suffisamment fortement pour le manipuler et le détecter, dans deux dispositifs experimentaux différents
Master research internship to be followed by a PhD thesis in both univesities Paris-Saclay and Sherbrooke (Canada). The goal is to couple a single electronic spin to a superconducting cavity sufficiently strongly to manipulate and detect the spin, in two different experimental setups.

Sujet détaillé/Full description

The Quantronics group of CEA-Saclay and the Institut quantique of Sherbrooke University collaborate in a fundamental physics project aiming at coupling a single electronic spin to microwave superconducting cavity. Two approaches will be explored: With Professor M. Pioro-Ladrière from the Institut quantique, the spin-cavité will be mediated by the charge degree of freedom of a semiconducting double quantum dot. The inhomogeneous magnetic field created by a micro-magnet close to the double dot allows one to obtain a spin-cavity coupling of a few MHz, and to choose by design between a purely longitudinal or transverse coupling [1]. The parametric modulation of the longitudinal coupling will be used for a non destructive measurement of the spin using the microwave signal leaking from the cavity [2]. In the Quantronics group, the magnetic coupling between the spin of a single impurety in a crystal and a superconducting cavity will be optimized to reach a characteristic coupling frequency above 1 kHz. Such a coupling should be enough to detect a single electronic spin using a homodyne measurment of the field leaking out of the cavity [3], which would bring ESR to the ultimate sensibility. We thus recruit a Master research intern willing to pursue the internship by a PhD thesis in 2018 in two laboratories located at CEA University Paris-Saclay (18 months) and at Sherbrooke University (18 months).
The intern applicant having a solid background in quantum physics will participate to the ongoing research: design of microwave resonators for coupling to a spin, fabrication and test of these resonators, or ultra-low temperature measurement of hybrid circuits.
The intership is planned at CEA-Saclay, but could also possibly be at the Institut quantique from Sherbrooke if the intern prefers it.

[1] F. Beaudoin, D. Lachance-Quirion, W. A. Coish et M. Pioro-Ladrière, Coupling a single electron spin to a microwave resonator: Controlling transverse and longitudinal couplings, Nanotechnology 27, 464003 (2016).
[2] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet et K. Molmer, Proposal for detecting a single electron spin in a microwave resonator, Physical Review A 95, 22306 (2017).
[3] A. Bienfait et al., Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance, Nature Nanotechnology 11, 253–257 (2016).
Le groupe Quantronique du CEA-Saclay et l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke collaborent à un projet de physique fondamentale visant à coupler un spin électronique unique à une cavité supraconductrice micro-onde. Deux approches seront explorées : Dans l’approche du Professeur M. Pioro-Ladrière de l’Institut quantique, le couplage spin-cavité sera médié par le degré de charge d’une double boîte quantique semi-conductrice. Le champ magnétique inhomogène créé par un micro-aimant à proximité de la double boîte permet d’obtenir une force de couplage spin-cavité de quelques MHz et de choisir, par design, entre un couplage purement longitudinal ou transverse [1]. La modulation paramétrique du couplage longitudinal sera utilisée afin d’étudier la possibilité d’effectuer une mesure non destructive du qubit de spin par la détection du signal sortant de la cavité supraconductrice [2]. Dans l’approche du groupe Quantronique, le couplage magnétique entre le spin d’une unique impureté dans un cristal et une cavité supraconductrice sera optimisé afin d’atteindre une fréquence caractéristique supérieure au kHz. Ce couplage devrait être suffisant pour détecter un spin électronique unique par une mesure homodyne de la cavité [3], réalisant ainsi la limite ultime de sensibilité de la résonance de spin. Nous recrutons donc un stagiaire de Master 2 prêt à poursuivre en 2018 une thèse en co-tutelle au CEA Université Paris-Saclay (18 mois) et à l’Université de Sherbrooke (18 mois).
Le candidat ayant de solide bases en physique quantique participera aux recherches en cours à son arrivé: conception de résonateurs micro-ondes pour couplage à un spin, fabrication et tests de tels résonateurs, ou mesures de circuits hybrides à ultra-basse température.
Le lieu du stage prévu est le CEA-Saclay, mais pourrait être éventuellement l’Institut quantique si le candidat le souhaite.

[1] F. Beaudoin, D. Lachance-Quirion, W. A. Coish et M. Pioro-Ladrière, Coupling a single electron spin to a microwave resonator: Controlling transverse and longitudinal couplings, Nanotechnology 27, 464003 (2016).
[2] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet et K. Molmer, Proposal for detecting a single electron spin in a microwave resonator, Physical Review A 95, 22306 (2017).
[3] A. Bienfait et al., Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance, Nature Nanotechnology 11, 253–257 (2016).

Mots clés/Keywords

circuits quantiques, spins
quantum circuits, spins

Compétences/Skills

Simulation et conception microonde, salle blanche, mesures électriques à basse température.
Microwave simulators, cleanroom, electrical measurements at low temperature

Logiciels

Labview, python, sonnet, etc
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Manipulation de l'état quantique d'excitations supraconductrices individuelles dans des nanofils
Manipulation of the quantum state of individual superconducting excitations in nanowires

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOFFMAN Marcelo
+33 1 69 08 55 29

Résumé/Summary

En contactant des nanofils semiconducteurs entre des électrodes supraconductrices, on crée des états localisés dont on se propose de faire la manipulation quantique cohérente.
We propose to develop experiments aiming at the quantum manipulation of localized states that arise in semiconducting nanowires connecting superconducting electrodes.

Sujet détaillé/Full description

Les électrons dans les supraconducteurs forment des paires de Cooper auxquelles on n'a pas accès individuellement parce qu'elles sont superposées et délocalisées. Des états localisés apparaissent pourtant dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices. En utilisant des contacts atomiques, nous avons fait la spectroscopie de ces états [1] et démontré la manipulation cohérente de paires de Cooper localisées [2].

L'objet du stage est de développer des expériences similaires avec des nanofils semiconducteurs d'InAs comme liens faibles entre des supraconducteurs. On s'attend à ce que les temps de cohérence quantique soient plus longs ; en outre, il devrait être possible de manipuler le spin d'électrons localisés parce que le couplage spin-orbite est fort dans l'InAs.

L'étudiant(e) abordera des concepts avancés en mécanique quantique et en supraconductivité. Il apprendra aussi des techniques expérimentales variées : la nanofabrication, les basses températures, les mesures bas-bruit et les mesures microonde. Il/elle sera intégré/e dans un groupe de recherche actif dans le domaine de l'électronique quantique.

[1] L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact”
Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts”
Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961
Electrons in superconductors form Cooper pairs that cannot be probed individually because they are delocalized and overlapping. However, localized states appear at weak links between superconducting electrodes. Using atomic contacts as a weak link, we performed the spectroscopy of these localized states [1] and demonstrated the quantum manipulation of a localized Cooper pair [2].
During the internship, we plan to develop similar experiments with InAs semiconducting nanowires. Longer coherence times are expected, and, because of the strong spin-orbit coupling in InAs, one should also be able to manipulate the spin of localized electrons.

The student will be integrated in an active research group on quantum electronics and get acquainted with advanced concepts of quantum mechanics and superconductivity. He/she will also learn several experimental techniques: low temperatures, low-noise and microwave measurements, and nanofabrication.

[1] L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact”
Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts”
Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961

Mots clés/Keywords

Physique mésoscopique, supraconductivité, effet Josephson, électrodynamique quantique en circuit.
Mesoscopic Physics, Superconductivity, Josephson effect, quantum electrodynamics circuits.

Compétences/Skills

Pour ce sujet, l’étudiant(e) devra développer une compréhension approfondie de la mécanique quantique, et apprendra des techniques variées : la nanofabrication, les basses températures, les mesures bas-bruit et les mesures microonde. Il/elle sera intégrée dans un groupe de recherche actif dans le domaine de l’électronique quantique.
The subject requires the student to develop a good understanding of quantum physics, and to learn and master different techniques: nanofabrication, low temperatures, low-noise and microwave measurements. He/she will be integrated in an active research group on quantum electronics.
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Towards quantum computing with nuclear spins
Vers le calcul quantique à base de spins nucléaires

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BERTET Patrice
+33 1 69 08 55 29

Résumé/Summary

Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à utiliser des spins nucléaires dans les solides (qui peuvent avoir des temps de cohérence ultra-longs pouvant aller jusqu'à plusieurs heures) comme bits quantiques pour le calcul quantique. Les spins seront mesurés par couplage avec des circuits supraconducteurs.
The internship is part of a research project that aims at using nuclear spins in solids (which can have ultra-long coherence times, up to few hours) as quantum bits for quantum computing. The spin state will be measured by coupling them to superconducting circuits.

Sujet détaillé/Full description

Les spins nucléaires dans les solides sont des systèmes quantiques très bien protégés de leur environnement, et peuvent avoir des temps de cohérence exceptionnellement longs allant jusqu’à plusieurs heures. Il est donc tentant de les utiliser comme support d’information quantique dans un processeur quantique. En revanche il reste très difficile de lire l’état d’un seul spin nucléaire, et plus encore de coupler deux spins nucléaires distants l’un de l’autre, ce qui est nécessaire pour les opérations de logique quantique.
Notre goupe est engagé dans un projet de recherche de long terme (en collaboration avec un industriel et avec le support de l'ERC) qui vise à utiliser des circuits supraconducteurs pour mesurer et interfacer des qubits de spin nucléaire. Dans un premier temps, nous souhaitons démontrer qu’il est possible de mesurer et de manipuler l’état quantique d’un unique spin nucléaire, en utilisant son couplage hyperfin à un spin électronique lui-même couplé à un résonateur supraconducteur. Cette stratégie s’applique à une variété de systèmes physiques, mais nous travaillons en particulier sur les centres NV du diamant, les donneurs dans le silicium, et les ions Erbium dans des matrices d’orthosilicate. Pour cela, nous devons être capables de détecter un unique spin électronique, en un temps de mesure inférieur à une seconde.
Le stage s’appuie sur des résultats récents de notre équipe, qui ont démontré la détection d’un tout petit nombre de spins électroniques, avec une sensibilité 5 ordres de grandeur supérieure à l’état de l’art [1,2,3]. Notre détecteur a dès à présent démontré une sensibilité de 65 spin/\sqrt{Hz} en mesurant des donneurs dans le silicium ; il s’agit donc de gagner encore deux ordres de grandeur. Le but du stage sera d’obtenir ce gain en utilisant un autre système : les ions Erbium en matrice de YSO. Ces ions ont un moment magnétique 7 fois plus élevé que les donneurs dans le silicium, ce qui devrait automatiquement amener la sensibilité du détecteur sous 1 spin/\sqrt{Hz}, permettant d’apporter la première démonstration de détection micro-onde d’un unique spin.
Nuclear spins in solids are quantum systems that are well protected from their environment and can therefore have exceptionally long coherence times (up to several hours). It is thus tempting to use them as carrier of quantum information, in a quantum processor. It remains however utterly difficult to readout the quantum state of a single nuclear spin, and even more so to couple two nuclear spins that are distant from each other, which is needed for quantum logic operations.
Our group is leading a long-term research project (in collaboration with an industrial and with the support of an ERC grant) that aims at using superconducting circuits to measure and interface nuclear spin qubits. In a first step we wish to demonstrate quantum state manipulation and readout of a single nuclear spin, using its hyperfine coupling to an electron spin, itself coupled to a superconducting resonator. This strategy applies to a large variety of physical systems; we work in particular with NV centers in diamond, donors in silicon, and Erbium ions in orthosilicate crystals. In order to reach our goal, we need to be able to detect a single electronic spin, in a measurement time smaller than one second.
The internship relies on recent results obtained in our team, demonstrating the detection of a very small number of electronic spins with a sensitivity 5 orders of magnitude higher than the previous state-of-the-art [1,2,3]. Our spectrometer has demonstrated a sensitivity of 65 spins / \sqrt{Hz} by measuring donors in silicon; we thus simply need to win another two orders of magnitude. The goal of the internship will be to do so by turning to a different system : Erbium ions in a YSO matrix. Indeed, these ions have a magnetic moment that is 7 times higher than donors in silicon, which would automatically bring the spectrometer sensitivity below the 1spin/\sqrt{Hz} value, and would bring the first experimental demonstration of single spin detection with microwave signals.

Mots clés/Keywords

Physique et information quantique
Quantum physics and quantum information

Compétences/Skills

-Techniques de salle blanche (fabrication d'échantillons) - Mesures micro-ondes très bas bruit - Très basses températures (mK)
- Cleanroom techniques - Ultra-low-noise microwave measurements - Cryogenic températures (mK)

Logiciels

Office, Python, Labview, Matematica, CST, Sonnet, ...
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Réalisation d'amplificateurs limités quantiquement
Realization of quantum limited amplifiers

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

09-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 74 44/55 29

Résumé/Summary

Le but du stage est de développer un nouveau type d'amplificateur paramétrique limité quantiquement, de se familiariser avec leur fabrication et leur test, et si la durée du stage est suffisante, de participer à une expérience d'information quantique utilisant un amplificateur paramétrique.
The goal of the internship is to design broadband quantum limited parametric amplifiers, to fabricate and measure existing designs, and if time allows to participate to a quantum information experiment using those parametric amplifiers.

Sujet détaillé/Full description

Le groupe Quantronique au CEA Saclay effectue des recherches en physique fondamentale des solides, et en particulier sur l’électronique quantique. La plupart de nos expériences nécessitent une instrumentation hyperfréquence avancée dont le composant clé est un amplificateur limité quantiquement.

Un amplificateur limité quantiquement est un dispositif ajoutant une quantité limitée de bruit au signal mesuré, c'est-à-dire une demi-photon à la fréquence du signal, définie par le principe d'incertitude. Il est largement développé dans de nombreux groupes leader dans le domaine du traitement de l'information quantique, car il permet par exemple de squeezer des états quantiques, de mesurer l’état de Qubit en « single-shot » ou de suivre des trajectoires quantiques. Il est également un outil essentiel en physique mésoscopique à haute fréquence et présente un fort potentiel d’application aux expériences d'astronomie.

Il existe actuellement diverses propositions pour implémenter ce dispositif. Dans le groupe, nous avons développé un amplificateur paramétrique Josephson (JoPA) [1] tirant parti de la non linéarité de l'inductance Josephson. Notre projet consiste maintenant à implémenter un JoPA ayant une plus grande largeur de bande et à utiliser des principes complètement nouveaux pour améliorer la bande passante et la puissance de saturation.

Au cours du stage, le candidat se familiarisera avec l'amplification limitée quantiquement en fabriquant des modèles existants et en les mesurant. Il / elle participera également au développement de nouveaux modèles ayant de meilleures performances. En fonction de la durée du stage, l’étudiant(e) pourrait participer à des expériences utilisant ses amplificateurs. L’étudiant sera encadré par 2 chercheurs permanents et un post-doc travaillant sur ce sujet.

Le candidat devrait avoir des bases solides en physique quantique et en matière condensée et devrait pouvoir mener dès le début la modélisation d'un circuit quantique, en utilisant des logiciels tels que mathematica et spice. Un certain degré d'indépendance et de compétences expérimentales sont un atout.
The Quantronics group at CEA Saclay is performing research in fundamental solid state physics at very low temperature, and in particular in quantum electronics. Most of our experiments require advanced microwave instrumentation whose key component is a quantum limited amplifier.

A quantum limited amplifier is a device that adds a limited amount of noise to the measured signal, i.e. half a photon at the frequency of the signal, defined by the uncertainty principle. It is widely developed in many leading groups in the domain of quantum information processing, as it enables for instance quantum states squeezing, single-shot measurement of Qubit states or following quantum trajectories. It is also an essential tool in fundamental solid state physics at high frequency, and has a high potential for applications to astronomy experiments.

There exists nowadays various propositions to implement such device. In the group, we have developed a Josephson parametric amplifier [1] taking advantage of the Josephson inductance non-linearity. Our project now is to implement a larger bandwidth version of JoPA, and by turning to completely new working principles to improve both bandwidth and saturation power.

During the internship, the candidate will get familiar with quantum limited amplification by fabricating existing designs, and measuring them. He/she will also participate to the development of new types of designs to enhance their performances. Depending on the internship duration, the student could participate to experiments using his/her paramps. The student will be supervised by 2 permanent researchers and a post-doc working on the subject.

The candidate should have solid grounds in quantum and solid state physics and should be able from the start to lead the modelization of a quantum circuit, using softwares such as mathematica and spice. A certain degree of independence and of experimental skills are a plus.


[1] X. Zhou, V. Schmitt, P. Bertet, D. Vion, W. Wustmann, V. Shumeiko, and D. Esteve Phys. Rev. B 89, 214517 (2014).

contact: Helene le Sueur and Denis Vion

Mots clés/Keywords

Electronique quantique
Quantum electronics

Compétences/Skills

Simulation numérique, nanofabrication, cryogénie, mesures micro-ondes
Numerical simulation, nanofabrication, cryogenics, microwave measurements

Logiciels

Python, spice, mathematica

 

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