Développement d’électronique froide à base de memristors pour la mise à l’échelle des calculateurs quantiques à base de boîtes quantiques - Thèses de l'INSA Lyon
Theses Year : 2024

Scaling-up quantum dot based quantum computers using memristors and cryogenic electronics

Développement d’électronique froide à base de memristors pour la mise à l’échelle des calculateurs quantiques à base de boîtes quantiques

Abstract

Quantum computing promises to have a major social impact, accelerating advances in fields such as medical research, materials engineering and climate modeling. However, the technological challenge of scaling up qubits must be overcome before these applications can be realized. Such scaling requires a reduction of the inputs/outputs between the classical control electronics and the qubits in the cryostat, particularly in the case of silicon qubits controlled by electrostatic gates. Each gate must be biased by control electronics placed outside of the cryostat, limiting the size of maximum the quantum systems. To meet these scaling requirements, this PhD thesis proposes a concept for cryogenic control electronics based on TiOx memristors. These components offer the advantages of being non-volatile and having a fully analog programmability. These devices have been demonstrated to be compatible with cryogenic temperatures down to 1.2 K during this thesis. They feature fully analog programming over a resistance range from 10 kΩ to 100 kΩ, which is enabled by the cryogenic reforming process. The concept of a memristor-based DC source involves placing several memristors in parallel in the feedback loop of a transimpedance amplifier. Thus, by changing the resistance of the memristors, the gain of the amplifier is changed which yields to the tuning of the amplifier output voltage. The feasibility of this concept is then investigated by carrying out data-driven simulations based on data from cryogenic electrical characterizations of TiOx memristors. The memristor-based DC source concept demonstrates a voltage range of 1 V and a voltage resolution of 1 mV, thus meeting the biasing criteria for quantum dots. Simulations of the bising of a quantum dot by a memristors-based DC source hasvealso been carried out, demonstrating a low-noise charge stability diagram, thus validating the proposed concept. Finally, an experimental prototype was built using a commercial amplifier, TiOx memristors and analog switches. Firstly, the electrical characteristics of the commercial amplifier were studied from 1.2 K to 300 K validating its compatibility with cryogenic temperatures. The prototype is then tested at 1.2 K and demonstrates250 mV- voltage sweeps with a resolution of 10 mV using 2 functional memristors in the amplifier feedback loop. These characteristics are insufficient for quantum dot biasing, however it allows the experimental validation of the memristors-based DC source concept. This prototype can be scaled up by co-integrating the amplifier and alternative emerging memories such as ferroelectric tunnel junction (FTJ) on silicon. The scaling is simulated using circuit design CAD tools, and predicts the integration of around 300,000 FTJ-based DC voltage sources, paving the way for large-scale quantum computing on silicon.
L’informatique quantique promet un impact social important en accélérant les avancées dans des domaines tels que la recherche médicale, l’ingénierie des matériaux et la modélisation climatique. Un défi technologique important de mise à l’échelle des bits quantiques (qubits) doit cependant être surmonté pour accéder à ces applications. Une telle mise à l’échelle requiert de réduire le nombre d’entrées/sorties entre l’électronique classique de contrôle et les qubits présents dans le cryostat, notamment dans le cadre des qubits sur silicium manipulés par des grilles électrostatiques. Chaque grille doit être connectée à l’électronique de contrôle par un câble sortant du cryostat limitant la taille des systèmes. Pour répondre aux exigences de cette mise à l’échelle, cette thèse de doctorat propose un concept d’électronique de contrôle froide basé des mémoires résistives (memristors) à base de TiOx. Ces composants présentent les avantages d’être non-volatile et d’avoir une résistance modifiable de manière analogique. La compatibilité avec les températures cryogéniques de ces memristors est démontrée jusqu’à 1.2 K. Ils présentent une programmation entièrement analogique sur une plage de résistance de 10 kΩ à 100 kΩ notamment permis par la mise en évidence du procédé de reforming cryogénique. Le concept de source de tension DC à base de memristors consiste à placer plusieurs memristors en parallèle dans la boucle de rétroaction d’un amplificateur transimpédance. Ainsi en changeant la résistance des memristors, le gain de l’amplificateur est changé et la tension de sortie est modifiée. La viabilité de ce concept est ensuite étudiée en réalisant des simulations basées sur des données expérimentales de caractérisations électriques de memristors TiOx. Le concept de source de tension DC à base de memristors démontre une plage de tension supérieure à 1 V et une résolution en tension de 1 mV répondant ainsi aux critères de polarisation pour les boîtes quantiques. La simulation du contrôle d’une boîte quantique par une source de tension DC à base de memristors est aussi réalisée et démontre un diagramme de stabilité de charges peu bruité. Finalement, un prototype est fabriqué avec un amplificateur commercial, des memristors TiOx et des commutateurs analogiques. Tout d’abord, les caractéristiques électriques de l’amplificateur commercial sont étudiées de 1.2 K à 300 K validant ainsi sa compatibilité avec les températures cryogéniques. Le prototype est testé à 1.2 K et démontre des balayages en tension de 250 mV pour une résolution de 10 mV avec 2 memristors fonctionnels dans la boucle de rétroaction de l’amplificateur. Ces caractéristiques sont insuffisantes pour la polarisation de boîtes quantiques mais permettent de valider expérimentalement le concept de source de tension DC. Ce prototype peut être mis à l’échelle en co-intégrant sur silicium l’amplificateur et des mémoires émergentes alternatives comme les jonctions tunnel ferroélectriques (FTJ). La mise à l’échelle est réalisée par simulation de circuits et permet de prédire l’intégration d’environ 300000 sources de tension DC à base de FTJs pavant ainsi la voie vers l’informatique quantique sur silicium à grande échelle.
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Cite

Pierre-Antoine Mouny. Développement d’électronique froide à base de memristors pour la mise à l’échelle des calculateurs quantiques à base de boîtes quantiques. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2024. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04676762⟩
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