Les boîtes quantiques à base de germanium attirent l'attention en raison de la forte mobilité des trous et du couplage spin-orbite intense, qui permettent de manipuler rapidement le spin. Toutefois, le bruit de charge provoqué par le piégeage de charges à l'interface entre le SiGe et le diélectrique limite le temps de cohérence des qubits de spin. Les tentatives précédentes pour résoudre ce problème passaient par un traitement de surface et une modification de l'épaisseur de la barrière, mais leur efficacité restait insuffisante. Ce travail s'inscrit dans la recherche de matériaux à faible bruit pour les processeurs quantiques à grande échelle.
Les chercheurs ont utilisé l'épitaxie par jets moléculaires pour faire croître des hétérostructures SiGe/Ge avec une variation graduelle de la composition de la barrière supérieure. La composition passait de Si0.2Ge0.8 à Si0.8Ge0.2 sur une épaisseur de 25 nm, ce qui abaissait progressivement le bord de la bande de valence. Pour comparaison, une structure sans modulation de composition a également été crue. La caractérisation a été réalisée par microscopie électronique en transmission, diffraction des rayons X et mesures sur ponts de Hall à 2 K. Les boîtes quantiques ont été fabriquées par lithographie par faisceau d'électrons et mesurées à 60 mK dans un réfrigérateur à dilution.
Les mesures de Hall ont montré que la modulation de composition élargit la plage de tension de grille stable d'un facteur 2.75 par rapport à une structure classique. Dans les boîtes quantiques, le bruit de charge moyen à la fréquence de 1 Hz s'élevait à 0.46 µeV/√Hz, la valeur la plus faible jamais obtenue pour des puits quantiques de Ge sur substrats de silicium. À la fréquence de 10 mHz, le bruit atteignait 6.77 µeV/√Hz, et lors du suivi du pic coulombien à 1 mHz, il montait à 46.48 µeV/√Hz. Les diagrammes de stabilité en régime de faible nombre de trous n'ont montré aucune dérive de la tension de transition pendant 100 minutes.
Ce travail démontre que la modulation de composition de la barrière supprime efficacement le bruit de charge dans les boîtes quantiques de Ge. Cela diffère des approches précédentes, qui se concentraient sur le traitement de surface ou l'épaisseur de la barrière sans résoudre le problème sur le plan énergétique. Cette méthode ouvre la voie à des qubits de spin à grande échelle dotés d'un long temps de cohérence.
Une amélioration supplémentaire est envisageable grâce à l'utilisation de substrats de germanium, qui réduirait le désaccord de réseau, et à l'augmentation de l'épaisseur de la barrière. Il est également prometteur de combiner la modulation de composition avec l'optimisation du diélectrique et de la géométrie des grilles. À l'avenir, de telles structures pourraient être intégrées dans des matrices multi-qubits.
Les résultats auront une incidence sur le développement de processeurs quantiques fondés sur des qubits de spin à trous dans le germanium, ainsi que sur les technologies de croissance d'hétérostructures semi-conductrices à faible bruit.
La prochaine étape consistera à reproduire la méthode sur des substrats de germanium et à vérifier la cohérence des spins dans des qubits fabriqués à partir de ces structures.
Ce travail est directement lié au problème de la décohérence dans les qubits de spin à semi-conducteurs, où le bruit de charge constitue le principal facteur limitant. La suppression du bruit au niveau du matériau ouvre la voie à un allongement du temps de cohérence sans calibration complexe du champ magnétique.
Le bruit de charge dans ces dispositifs est si faible que la tension de transition entre l'état à zéro trou et celui à un trou ne varie pas pendant près de deux heures, alors que de telles transitions dérivent habituellement en quelques minutes.