EP4736607A1 - Dispositif quantique modulable à effet josephson - Google Patents

Dispositif quantique modulable à effet josephson

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EP4736607A1
EP4736607A1 EP24735652.0A EP24735652A EP4736607A1 EP 4736607 A1 EP4736607 A1 EP 4736607A1 EP 24735652 A EP24735652 A EP 24735652A EP 4736607 A1 EP4736607 A1 EP 4736607A1
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EP
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quantum
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critical current
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EP24735652.0A
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German (de)
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Juan TRASTOY QUINTELA
Javier VILLEGAS
Salvatore MESORACA
Denis Crete
Javier BRIATICO
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
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    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/10—Junction-based devices
    • H10N60/12—Josephson-effect devices
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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
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Abstract

La divulgation concerne un dispositif quantique (1) comprenant: • un composant quantique à effet Josephson (10) ayant un courant critique (le) modulable, réalisé sur une première face d'un substrat (SUB), et comprenant : • une première couche (11) en un premier matériau supraconducteur, • une deuxième couche (12) en un second matériau supraconducteur; • une structure de jonction (20) reliant la première couche (11) à la seconde couche (11) et comprenant une couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) présentant au moins un premier domaine magnétique (D1) selon une première direction et un second domaine magnétique (D2) selon une seconde direction opposée à la première direction; • des moyens de contrôle configurés pour appliquer un courant d'écriture à travers la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) pour modifier la distribution volumique des deux domaines magnétiques dans ladite couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) afin de moduler ledit courant critique (le).

Description

DESCRIPTION Titre de l’invention : Dispositif quantique modulable à effet Josephson Champ d’application [0001] La présente invention concerne le domaine des dispositifs quantiques comprenant une ou plusieurs jonctions Josephson. Plus particulièrement, l’invention concerne un qubit à flux et une mémoire quantique multiniveaux à base de jonctions Josephson ayant des caractéristiques réglables. Problème soulevé [0002] Les jonctions Josephson comportant des matériaux supraconducteurs sont utilisées dans la conception de plusieurs types de dispositifs quantiques. La supraconductivité est la particularité, pour certains matériaux dits supraconducteurs, de présenter une résistance électrique nulle lorsque leur température est inférieure à une température dite température critique. La supraconductivité est causée par le phénomène de formation de paires de Cooper constituées de deux électrons couplés. [0003] Une jonction Josephson est formée par deux couches de supraconducteurs séparés par une couche barrière non supraconductrice. La barrière est suffisamment fine pour que les paires de Cooper puissent la traverser. Les paires de Cooper peuvent alors migrer d'une couche supraconductrice à l'autre, par effet tunnel si la couche barrière est un diélectrique ou par conduction électrique si la couche barrière est un conducteur ohmique. En effet, la fonction d'onde des paires de Cooper du premier supraconducteur interfère avec la fonction d'onde des paires de Cooper du second supraconducteur à travers la couche barrière. Cela induit un passage de courant électrique à travers la jonction malgré la discontinuité matérielle de la structure. [0004] Plus particulièrement, les solutions de bits quantiques à flux actuellement utilisés dans les ordinateurs quantiques nécessitent l’implémentation de plusieurs circuits de compensation supplémentaires complexes pour polariser en permanence le bit quantique à flux. La polarisation est nécessaire pour compenser les dérives résultantes des défauts de fabrication. Les circuits sont aussi nécessaires pour effectuer des opérations logiques à partir des bits quantiques. Les mêmes contraintes sont rencontrées pour la réalisation des mémoires cryogéniques destinées à être utilisées dans les calculateurs de type RSFQ (Rapid Single Flux Quantum). En effet, dans les solutions connues, des structures complexes avec des lignes de contrôle et des structures de magnétomètres SQUID (de l'anglais Superconducting QUantum Interference Device) imbriqués à l'intérieur d'un autre SQUID sont utilisées. Ce type d’architecture est particulièrement complexe pour la fabrication mais aussi pour l’implémentation spatiale de l’architecture. [0005] De plus, les structures de bits quantiques à flux connus ne permettent pas de contrôler indépendamment le courant supraconducteur circulant dans la boucle supraconductrice du qubit et l'énergie de l’effet tunnel en même temps. Cela induit le recours à des architectures complexes basées sur le montage de plusieurs magnétomètres de type SQUID où le réglage est effectué à l'aide de champs magnétiques externes. [0006] D’ailleurs, les qubits à flux à base de SQUIDs connus présentent une forte sensibilité aux variabilités dues aux asymétries de fabrication, plus particulièrement dans les jonctions de Josephson. Cela induit une perte de précision dans l’exécution des algorithmes de calcul quantiques. En effet, pour obtenir une exécution fiable des algorithmes de calcul quantique adiabatique (AQO pour l’expression anglaise Adiabatic Quantum Optimization), la maitrise des deux paramètres suivants est indispensable : - Le courant supraconducteur à travers les dispositifs quantiques à effet Josephson ; - l'énergie de l’effet tunnel à travers les dispositifs quantiques à effet Josephson ; [0007] Un problème technique à résoudre dans ce contexte consiste donc à concevoir un dispositif quantique à effet Josephson permettant de réaliser des bits quantiques à flux et/ou des mémoires quantiques multiniveaux sans recours à une circuiterie complexe pour la compensation des effets de variabilités technologiques. Art antérieur/ Restrictions de l’état de l’art [0008] Le brevet américain US10546621B2 décrit une structure de mémoire quantique compatible avec des portes logiques supraconductrices. La solution décrite est basée sur un SQUID imbriqué à l'intérieur d'un autre SQUID. L’inconvénient de la solution décrite par ce document est qu’elle se limite uniquement à des matériaux à basse température critique Tc. De plus, les opérations de lecture/écriture des données quantiques dans ce type de mémoire nécessitent une pluralité de lignes de courant. Cela augmente la complexité d’implémentation de la structure et augmente sa consommation énergétique. Réponse au problème et apport solution [0009] Pour pallier les limitations des solutions existantes en ce qui concerne le contrôle des paramètres des structures à effet Josephson dans les dispositifs de calcul quantique, l’invention propose plusieurs modes de réalisation d’un dispositif quantique comprenant un composant à effet Josephson ayant un courant critique modulable et des moyens de contrôle. Dans le composant quantique selon l’invention, la structure de jonction entre les deux couches supraconductrices comprend une couche ferromagnétique à domaine magnétique hétérogène. La distribution volumique des domaines dans le volume de ladite couche ferromagnétique est modulable via l’application d’un courant d’écriture généré par les moyens de contrôle. La modification de la distribution volumique des domaines magnétique permet de contrôler le courant critique de la jonction Josephson et ainsi contrôler le courant supraconducteur à travers les dispositifs quantiques. [0010] De plus, l’invention propose un bit quantique comprenant une boucle supraconductrice avec une jonction de Josephson modulable selon l’invention. Cela permet de compenser les effets de variabilités et d’asymétries entre les bits quantiques constituant un calculateur quantique en contrôlant les paramètres de chaque bit quantique indépendamment. [0011] De plus, l’invention propose une mémoire quantique pour stocker une donnée quantique comprenant une boucle supraconductrice formée par deux jonctions Josephson modulables selon l’invention. Chaque jonction de Josephson de la boucle est programmée de manière à obtenir deux courants critiques distincts. Cette asymétrie permet de stocker une donnée quantique codée par la différence entre la première valeur de courant critique et la seconde valeur de courant critique. Cette solution permet de réaliser une mémoire quantique avec une implémentation simple réduisant ainsi la complexité matérielle du circuit de calcul. Résumé/Revendications [0012] L’invention a pour objet un dispositif quantique comprenant : - un composant quantique à effet Josephson ayant un courant critique modulable, réalisé sur une première face d’un substrat , et comprenant : o une première couche en un premier matériau supraconducteur, o une deuxième couche en un second matériau supraconducteur; o une structure de jonction reliant la première couche à la seconde couche et comprenant une couche ferromagnétique à domaine hétérogène présentant au moins un premier domaine magnétique selon une première direction et un second domaine magnétique selon une seconde direction opposée à la première direction ; - des moyens de contrôle configurés pour appliquer un courant d’écriture à travers la couche ferromagnétique à domaine hétérogène pour modifier la distribution volumique des deux domaines magnétiques dans ladite couche ferromagnétique à domaine hétérogène afin de moduler ledit courant critique . [0013] Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène est inférieure ou égale à 10nm. [0014] Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la première couche et/ou la deuxième couche est comprise entre 20nm et 500nm. [0015] Selon un aspect particulier de l’invention, la couche ferromagnétique à domaine hétérogène forme une bande présentant une courbure non nulle ; ladite bande s’étendant selon un plan parallèle à la première face du substrat. [0016] Selon un aspect particulier de l’invention, la couche ferromagnétique à domaine hétérogène forme une bande en U ou semi-circulaire ou sinusoïdale ; ladite bande s’étendant selon un plan parallèle à la première face du substrat. [0017] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure de jonction est confinée entre d’une part la première couche déposée sur la première face d’un substrat et d’autre part la deuxième couche. [0018] Selon un aspect particulier de l’invention, la première couche et la deuxième couche sont coplanaires ; la structure de jonction reposant sur au moins une partie de la première couche et sur au moins une partie de la deuxième couche . [0019] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure de jonction comprend en outre une couche ferromagnétique à domaine homogène fixe disposée entre la première couche et la couche ferromagnétique à domaine hétérogène. [0020] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure de jonction comprend en outre une couche de découplage magnétique confinée entre la couche ferromagnétique à domaine homogène fixe et la couche ferromagnétique à domaine hétérogène. [0021] Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la couche ferromagnétique à domaine homogène fixe est supérieure au double de celle de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène . [0022] Selon un aspect particulier de l’invention, la couche ferromagnétique à domaine hétérogène est en Ni ou en NiFe ou en NiCo ou en CoFeBo ou en CoPt ou en LSMO ou en LCMO. [0023] L’invention a également pour objet un bit quantique à flux comprenant: - une boucle supraconductrice formée par le dispositif quantique selon l’invention; - une source magnétique configurable pour appliquer un flux magnétique externe à travers la boucle supraconductrice ; le bit quantique à flux présentant un premier et un second puits d’énergie séparés par une barrière d’énergie ; la hauteur de la barrière d’énergie étant configurable par la modulation du courant critique dudit composant quantique à effet Josephson par les moyens de contrôle. [0024] Selon un aspect particulier de l’invention, ladite source magnétique est configurée pour moduler la phase induite par le flux magnétique externe de manière à contrôler la position de la barrière d’énergie par rapport au second puits d’énergie. [0025] L’invention a également pour objet une mémoire quantique pour stocker une donnée quantique comprenant : - une boucle supraconductrice formée par deux dispositifs quantiques selon l’invention montés électriquement en parallèle et disposés symétriquement dans la boucle supraconductrice ; le premier dispositif quantique étant configuré à une première valeur de courant critique prédéterminée et le second dispositif quantique étant configuré à une seconde valeur de courant critique prédéterminée ; la valeur de la donnée quantique étant codée par la différence entre la première valeur de courant critique et la seconde valeur de courant critique . [0026] Selon un aspect particulier de l’invention, la mémoire quantique comprend en outre des moyens de lecture configurés pour appliquer un courant de lecture dans la boucle supraconductrice ayant une amplitude inférieure ou égale à un centième du courant d’écriture. [0027] Description Détaillée [0028] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants. [0029] [Fig.1] la figure 1 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique selon un premier mode de réalisation de l’invention. [0030] [Fig.2a] la figure 2a illustre une vue de dessus d’un premier exemple de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène utilisée dans le dispositif quantique selon l’invention. [0031] [Fig.2b] la figure 2b illustre une vue de dessus d’un second exemple de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène utilisée dans le dispositif quantique selon l’invention. [0032] [Fig.3] la figure 3 illustre la variation du courant critique du composant quantique selon le premier mode de réalisation de l’invention en fonction de la distribution volumique des domaines magnétiques dans la couche ferromagnétique. [0033] [Fig.4] la figure 4 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. [0034] [Fig.5] la figure 5 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique selon un troisième mode de réalisation de l’invention. [0035] [Fig.6] la figure 6 illustre la variation du courant critique du composant quantique selon le troisième mode de réalisation de l’invention en fonction de la distribution volumique des domaines magnétiques dans la couche ferromagnétique. [0036] [Fig.7] la figure 7 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. [0037] [Fig.8a] la figure 8a illustre une modélisation électrique d’un bit quantique selon l’invention. [0038] [Fig.8b] La figure 8b illustre une représentation structurelle en vue de dessus d’un bit quantique selon l’invention [0039] [Fig.8c] la figure 8c illustre le diagramme de potentiel du bit quantique selon l’invention. [0040] [Fig.9a] la figure 9a illustre une vue de dessus d’une mémoire quantique selon l’invention. [0041] [Fig.9b] la figure 9b illustre la réponse électrique d’une mémoire quantique selon l’invention comparée à une boucle supraconductrice symétrique. [0042] La figure 1 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique 1 selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le dispositif quantique 1 comprend un substrat SUB, un composant quantique à effet Josephson 10 réalisé sur une première face du substrat SUB et des moyens de contrôle, non représentés. [0043] Le composant quantique à effet Josephson 10 est une jonction de Josephson ayant un courant critique Ic modulable. Le courant critique Ic d’une jonction de Josephson est le courant maximal au-delà duquel le composant quantique ne fonctionne pas sous un régime supraconducteur. Le composant quantique à effet Josephson 10 comprend une première couche 11 en un matériau supraconducteur, une deuxième couche 12 en un matériau supraconducteur et une structure de jonction 20 reliant la première couche 11 à la seconde couche 12. [0044] Le substrat SUB est le support mécanique du composant quantique 10. Le substrat SUB est en Silicium Si ou en Saphir Al2O3 ou en oxyde de magnésium MgO ou aluminate de lanthane LAO, entre autres. Avantageusement, le substrat SUB comprend une couche tampon 16 déposée sur la première face dudit substrat. La couche tampon est en oxyde de cérium CeO2 ou en Zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium YSZ. La couche tampon 16 permet de réaliser un accord de maille avec la première couche 11 pour faciliter la croissance par épitaxie de ladite première couche 11. [0045] La première couche 11 est réalisée en Nb ou en NbSn ou en Al ou en AlN ou en MoSi ou en YBCO ou en NdBCO ou en LaBCO ou en BCCO, entre autres. La première couche 11 présente une épaisseur typiquement comprise entre 20 nm et 500 nm. [0046] La deuxième couche 12 est déposée sur la structure de jonction 20. La deuxième couche 12 est réalisée en Nb ou en NbSn ou en Al ou en AlN ou en MoSi ou en YBCO ou en NdBCO ou en LaBCO ou en BCCO. La deuxième couche 12 présente une épaisseur comprise entre 20nm et 500nm. [0047] La structure de jonction 20 comprend une couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13. La couche ferromagnétique 13 est confinée entre la première couche 11 et la deuxième couche 12. La couche ferromagnétique 13 présente un premier domaine magnétique D1 selon une première direction et un second domaine magnétique D2 selon une seconde direction opposée à la première direction. À titre d’exemple, le premier domaine D1 est composé de moments magnétiques dirigés vers le haut, le second domaine D2 est composé de moments magnétiques dirigés vers le bas. La couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 joue le rôle de la barrière non-supraconductrice dans la jonction de Josephson. L’épaisseur de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 est inférieure ou égale à 10nm. La couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 est réalisée en Ni ou en NiFe ou en NiCo ou en CoFeBo ou en CoPt ou en LSMO ou en LCMO. [0048] Selon le plan (X,Y) parallèle à la première face du substrat SUB, la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 forme une bande présentant une courbure non nulle selon un plan parallèle à la première face du substrat SUB. À titre d’exemple, la couche ferromagnétique 13 forme une bande en U (plus particulièrement en fer à cheval) ou semi-circulaire ou sinusoïdale selon le plan (X,Y) comme illustré sur les figures 2a et 2b. La figure 2a illustre une vue de dessus d’un premier exemple de la couche ferromagnétique 13 avec deux domaines magnétiques distincts. La figure 2b illustre une vue de dessus d’un second exemple de la couche ferromagnétique 13 avec plusieurs séries de domaines magnétiques avec des directions opposées. [0049] La combinaison de la forme en bande courbée et la faible épaisseur permettent d’obtenir la distribution magnétique hétérogène de domaines avec l’apparition d’une barrière de séparation entre les domaines. Le volume de la zone occupée par la barrière de séparation entre les domaines est dix fois inférieur au volume total de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13. La largeur de la barrière de séparation entre les domaines est comprise entre 50nm et 300nm. La forme non rectiligne de la couche ferromagnétique 13 est réalisable par des techniques de gravure et lithographie compatibles avec les matériaux utilisés. [0050] L’empilement de couches est réalisé par des techniques de dépôt tel que la pulvérisation cathodique, l’ablation laser pulsé, ou le dépôt par évaporation. La forme non-rectiligne de la couche ferromagnétique 13 est réalisée par des techniques de gravure par faisceau d’électrons ou la gravure par faisceau d’ion. [0051] Dans le composant quantique à effet Josephson 10 selon l’invention, le courant critique IC dépend de la distribution volumique des domaines d’aimantation magnétique dans le volume de la couche ferromagnétique 13, jouant le rôle de barrière dans la jonction. À titre d’illustration, la figure 2a montre une couche ferromagnétique 13 avec une moitié de son volume occupée par D1 et l’autre moitié occupée par un domaine D2. On parle ainsi d’une distribution magnétique avec un volume occupé à 50% par le premier domaine D1 (aimantation vers le haut) et à 50% par le second domaine D2 (aimantation vers le bas). La distribution volumique des domaines d’aimantation magnétique est modulable par l’injection d’un courant d’écriture Iwr à travers la jonction. Les électrons du courant injecté de la première couche 11 vers la deuxième couche 12 (ou inversement) à travers la structure de jonction 20 appliquent un moment sur les électrons des atomes constituant la couche ferromagnétique 13. Il est possible ainsi de modifier la distribution volumique des domaines d’aimantation magnétique dans le volume de la couche ferromagnétique 13 selon le sens et l’intensité du courant d’écriture Iwr. [0052] Le dispositif quantique 1 comprend des moyens de contrôle configurés pour appliquer ledit courant d’écriture Iwr à travers la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 pour modifier la distribution volumique des domaines magnétiques afin de moduler ledit courant critique IC selon une valeur consigne. Alternativement, la distribution volumique des domaines est modulée par l’application d’un champ magnétique. [0053] la figure 3 illustre la variation du courant critique IC du composant quantique 10 selon le premier mode de réalisation de l’invention en fonction de la distribution volumique des domaines magnétiques dans la couche ferromagnétique 13. [0054] Soit une première configuration de distribution avec un volume occupé à 50% par le premier domaine D1 (aimantation vers le haut) et à 50% par le second domaine D2 (aimantation vers le bas). Lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la première configuration, le courant critique IC du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur minimale IC1. Cela correspond à un état résistif haut du composant quantique 10. Soit une deuxième configuration de distribution avec un volume occupé à 100% par le premier domaine D1 (aimantation vers le haut) et à 0% par le second domaine D2 (aimantation vers le bas). Lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la deuxième configuration, le courant critique IC du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur maximale IC2. La valeur du courant critique IC évolue d’une manière continue entre la première configuration (50% D1-50% D2) et la deuxième configuration (100% D1–0%D2). Ainsi, les moyens de contrôle sont aptes à moduler la valeur du courant critique IC (et donc la résistivité du composant quantique) à l’aide du courant d’écriture Iwr. [0055] Soit une troisième configuration de distribution avec un volume occupé à 0% par le premier domaine D1 (aimantation vers le haut) et à 100% par le second domaine D2 (aimantation vers le bas). Lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la troisième configuration, le courant critique IC du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur maximale IC2. La valeur du courant critique IC évolue d’une manière continue entre la première configuration (50% D1-50% D2) et la troisième configuration (0% D1–100%D2). Ainsi, d’une manière alternative, il est possible de contrôler le courant critique IC du composant quantique 10 entre les deux configurations précitées à l’aide du courant d’écriture Iwr. [0056] Le dispositif quantique 1 selon l’invention constitue une jonction de Josephson avec un courant critique modulable en continu à l’aide du contrôle de distribution des domaines magnétiques de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13. Ce degré de liberté de contrôle permet de compenser les effets de variabilité et d’asymétrie pour l’implémentation d’un système quantique fiable (processeur quantique par exemple). [0057] La figure 4 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique 1 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Le deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par la disposition des couches constituant le composant quantique à effet Josephson 10. La première couche supraconductrice 11 et la deuxième couche supraconductrice 12 sont coplanaires. Les deux couches supraconductrices 11,12 sont toutes les deux déposées sur la première face du substrat SUB. Les deux couches supraconductrices 11,12 sont séparées dans le même plan par un volume diélectrique présentant une largeur supérieure à 10 nm, par exemple. La structure de jonction 20 est constituée de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 similaire au premier mode de réalisation. La couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 repose d’un côté sur une partie de la surface supérieure de la première couche supraconductrice 11. La couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 repose de l’autre coté sur une partie de la surface supérieure de la deuxième couche supraconductrice 12. Lors d’un fonctionnement sous un régime supraconducteur, l’application d’une différence de potentiel entre les couches supraconductrices 11,12 induit un courant de paires de Cooper I à travers la structure de jonction 20. [0058] Dans ce mode de réalisation, la courbe d’évolution du courant critique IC en fonction de la distribution des domaines magnétique D1, D2 est similaire à celle décrite pour le premier mode de réalisation. [0059] La coplanarité des couches supraconductrices 11,12 permet de simplifier le procédé de fabrication du dispositif quantique 1. En effet, une seule opération de croissance par épitaxie est nécessaire pour fabriquer les deux couches supraconductrices au lieu de deux opérations d’épitaxie pour réaliser l’empilement selon le premier mode de réalisation. [0060] La figure 5 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique 1 selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Le troisième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par la composition de la structure de jonction 20 confinée entre la première couche supraconductrice 11 à la seconde couche supraconductrice 12. En effet, la structure de jonction 20 comprend en outre une couche ferromagnétique à domaine homogène fixe 14 et une couche de découplage magnétique 15. La couche ferromagnétique à domaine homogène fixe 14 est déposée sur la première couche supraconductrice 11. La couche de découplage magnétique 15 est confinée entre la couche ferromagnétique à domaine homogène fixe 14 et la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13. La couche ferromagnétique à domaine homogène fixe 14 présente une seule direction d’aimantation fixe dans son volume. La couche ferromagnétique homogène 14 présente une épaisseur supérieure au double de celle de la couche ferromagnétique hétérogène 13. La couche de découplage magnétique 15 permet de découpler magnétiquement la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 de la couche ferromagnétique à domaine homogène 14. A titre d’exemple, la couche de découplage magnétique 15 est réalisée en Cu, Al, MgO ou Al2O3. La couche de découplage magnétique 15 présente une épaisseur comprise 1nm et 10 nm de manière que les deux couches ferromagnétiques 13 et 14 soient découplées tout en permettant le transport de spin à travers l’interface qui les sépare. [0061] Suite à l’application d’une tension de lecture, les paires de Cooper provenant de la première couche supraconductrice 11 interagissent avec le moment magnétique fixe de la couche de ferromagnétique à domaine homogène 14. Cette interaction induit un changement de direction du spin des paires de Cooper traversant la couche ferromagnétique homogène 14 vers la couche ferromagnétique hétérogène 13. Le spin des électrons traversant la couche ferromagnétique homogène 14 s’aligne avec la direction de ladite couche 14. Ensuite, au niveau de l’interface avec la couche ferromagnétique hétérogène 13, la pénétration des électrons ayant une aimantation alignée avec celle du domaine rencontré est favorisée. Inversement, lorsque l’électron présente une aimantation opposée à celle du domaine rencontré à l’interface avec la couche ferromagnétique hétérogène 13, le taux de transmission des paires de Cooper est réduit. Ainsi, il est possible de moduler le courant critique IC de la structure de jonction 20 en contrôlant la distribution volumique des domaines d’aimantation dans la couche ferromagnétique hétérogène 13 par rapport à la direction d’aimantation fixe de la couche ferromagnétique homogène14. [0062] La figure 6 illustre la variation du courant critique IC du composant quantique 10 selon le troisième mode de réalisation de l’invention en fonction de la distribution volumique des domaines magnétiques dans la couche ferromagnétique hétérogène 13. Dans l’exemple illustré, l’aimantation dans la couche ferromagnétique homogène 14 fixe est dirigée selon D2. [0063] Similairement au mode de réalisation de la figure 3, lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la première configuration (100% D1, 0%D2), le courant critique IC du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur minimale Ic1. [0064] Lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la troisième configuration (0% D1, 100% D2), le courant critique IC du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur maximale IC2. Cela correspond à un alignement d’aimantation entre les électrons et l’aimantation de la couche ferromagnétique 13. Cela induit une résistivité minimale de la structure de jonction 20. [0065] Inversement, lorsque les moyens de contrôle configurent la couche ferromagnétique 13 selon la troisième configuration (100% D1, 0% D2), le courant critique Ic du composant quantique à effet Josephson 10 est à une valeur minimale Ic1. Cela correspond à une opposition de la direction d’aimantation entre les électrons et l’aimantation de la couche ferromagnétique 13. Cela induit une résistivité maximale de la structure de jonction 20. [0066] La valeur du courant critique IC évolue d’une manière continue entre la première configuration (50% D1-50% D2) et la troisième configuration (0% D1– 100%D2). La valeur du courant critique IC évolue selon une droite asymptotique entre la première configuration (50% D1-50% D2) et la deuxième configuration (100% D1– 0%D2). Ainsi, les moyens de contrôle de l’invention sont aptes à moduler la valeur du courant critique IC (et donc la résistivité du composant quantique) à l’aide du courant d’écriture Iwr. Le mode de réalisation permet de couvrir une plage de distribution de domaines plus large que celle du premier mode de réalisation. Il en résulte un avantage de contrôle plus flexible. [0067] La figure 7 illustre une vue en coupe d’un dispositif quantique 1 selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Le quatrième mode de réalisation diffère du troisième mode de réalisation par la disposition des couches constituant le composant quantique à effet Josephson 10. La première couche supraconductrice 11 et la deuxième couche supraconductrice 12 sont coplanaires. Les deux couches supraconductrices 11,12 sont toutes les deux déposées sur la première face du substrat SUB. Les deux couches supraconductrices 11,12 sont séparées dans le même plan par un volume diélectrique présentant une largeur supérieure à 10 nm,. La couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13 repose sur la deuxième couche supraconductrice 12. La couche de découplage magnétique 15 se compose d’une première partie déposée sur le diélectrique de séparation et d’une deuxième partie déposée sur la couche ferromagnétique à domaine hétérogène 13. La couche ferromagnétique à domaine homogène fixe 14 comprend une première partie déposée sur la première couche supraconductrice 11 et une deuxième partie déposée sur la couche de découplage magnétique 15. [0068] Dans ce mode de réalisation, la courbe d’évolution du courant critique IC en fonction de la distribution des domaines magnétiques D1, D2 est similaire à celle décrite pour le troisième mode de réalisation. [0069] La coplanarité des couches supraconductrices 11,12 permet de simplifier le procédé de fabrication du dispositif quantique 1. En effet, une seule opération de croissance par épitaxie est nécessaire pour fabriquer les deux couches supraconductrices au lieu de deux opérations d’épitaxie pour réaliser l’empilement selon le troisième mode de réalisation. [0070] La figure 8a illustre une modélisation électrique d’un bit quantique QB selon l’invention. La figure 8b illustre une représentation structurelle en vue de dessus d’un bit quantique QB selon l’invention. Le bit quantique QB comprend une boucle supraconductrice formée par le dispositif quantique 1 et une source magnétique 2 configurable pour appliquer un flux magnétique externe Φ à travers la boucle supraconductrice. Le bit quantique QB est équivalent à un circuit ayant une inductance L. [0071] Le Hamiltonien de ce dispositif est ℋ = ^^ − ^cos ^^ avec UC l'énergie capacitive du composant quantique à effet Josephson 10, UJ l’énergie de Josephson proportionnelle à l'inductance L, φ la différence de phase à travers la structure de jonction 20 et φx la phase induite par la présence du flux magnétique externe Φ. Le paramètre ^ s’exprime selon l’équation suivante ^^^^ = ^ ^^ , avec IC le courant critique du dispositif quantique 1, et Φ0 le quantum de flux. [0072] La figure 8c illustre le diagramme de potentiel du bit quantique QB selon φ la différence de phase à travers la structure de jonction 20. Le diagramme d’énergie associé au bit quantique à flux QB présente un premier puits d’énergie et un second puits d’énergie. Le premier puits d’énergie correspond à un premier état d’énergie E1. Le second puits d’énergie correspond à un second état d’énergie E2. Les deux états d’énergie E1 et E2 sont séparés par une barrière d’énergie BW. La barrière d’énergie BW est définie par sa hauteur et par sa position par rapport aux deux minimum des puits d’énergie E1, E2. La barrière d’énergie est située à un déphasage φ=π. Une parabole de fond est définie avec un centrage à φ= φx . Les positions des deux minimum des puits d’énergie E1, E2 dépendent du déphasage φx – π. La hauteur de la barrière d’énergie BW est proportionnelle à ^. Ainsi, la barrière d’énergie BW peut être contrôlée de manière totalement indépendante et continue en position et en hauteur. La hauteur est modifiée en modulant le courant critique IC du dispositif quantique 1. La position de la barrière par rapport au deuxième puits d’énergie est modifiable en changeant le flux magnétique externe Φ. Ce contrôle indépendant est nécessaire pour la mise en œuvre des algorithmes utilisés dans les processeurs d'optimisation quantique adiabatique. De plus, cela permet de compenser les effets de variabilités et d’asymétries entre les bits quantiques constituant un calculateur quantique en contrôlant les paramètres de chaque bit quantique indépendamment de manière à les homogénéiser. [0073] La figure 9a illustre une vue de dessus d’une mémoire quantique MQ selon l’invention. La mémoire quantique MQ est une mémoire multi-niveaux cryogénique. La mémoire quantique MQ comprend une boucle supraconductrice formée par deux dispositifs quantiques 1 et 1’ selon l’invention. Les deux dispositifs quantiques 1 et 1’ sont montés électriquement en parallèle. Les deux dispositifs quantiques 1 et 1’ sont disposés symétriquement dans la boucle supraconductrice. Le premier dispositif quantique 1 est configuré à une première valeur de courant critique IC1 prédéterminée. Le second dispositif quantique 1’ est configuré à une seconde valeur de courant critique IC2 prédéterminée. Dans l’exemple illustré, le premier courant critique IC1 est supérieur au second courant critique IC2. Il s’agit alors d’une boucle asymétrique d’un point de vue résistivité. [0074] Cette asymétrie permet de coder la valeur d’une donnée quantique par la différence entre la première valeur de courant critique IC1 et la seconde valeur de courant critique IC2. En effet, lorsqu’un courant de lecture Ilect est injecté dans la boucle, le courant I1 qui circule dans la première branche comprenant le premier dispositif quantique 1 est supérieur au courant I2 dans la première branche comprenant le premier dispositif quantique 1’. Cette différence de courant induit la création d’un flux magnétique ΔΦ à travers la boucle. Le flux magnétique ΔΦ induit l’apparence d’une tension électrique non nulle V1 aux bornes de la boucle. L’amplitude de la tension électrique non nulle V1 est proportionnelle à la différence de courants critiques IC1- IC2. Ainsi, en modulant les courants critiques IC1 et IC2 via les moyens de contrôle, il est possible d’écrire et de stocker une donnée quantique dans la mémoire quantique MQ selon l’invention. [0075] Afin de comprendre l’effet de l’asymétrie, la figure 9b illustre la réponse électrique C1 d’une mémoire quantique MQ asymétrique comparée à la réponse électrique C0 d’une mémoire quantique MQ symétrique. Les courbes C1 et C0 présentent la tension électrique aux bornes de la boucle en fonction d’un flux magnétique externe Φ. Il s’agit dans les deux cas d’une variation sinusoïdale en fonction du flux magnétique Φ. La courbe C0 (boucle symétrique) est centrée sur l’axe des ordonnées: à Φ = 0, la tension V est nulle. La courbe C1 (boucle asymétrique IC1 > IC2) est décalée vers la gauche par rapport à la courbe C0. Le décalage est égal au déphasage induit par l’asymétrie. Ainsi, pour Φ = 0 on mesure aux bornes de la boucle une tension électrique V1 non nulle. L’amplitude de la tension mesurée V1 dépend du flux magnétique de réaction ΔΦ et donc de la différence de courants critiques IC1-IC2. [0076] La mémoire quantique MQ comprend des moyens de lecture LECT pour générer le courant de lecture Ilect. Le courant de lecture Ilect a une amplitude inférieure ou égale au centième du courant d’écriture Iwr généré par les moyens de contrôle. Cela permet de présenter la donnée quantique stockée pendant la lecture.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif quantique (1) comprenant : - un composant quantique à effet Josephson (10) ayant un courant critique (Ic) modulable, réalisé sur une première face d’un substrat (SUB), et comprenant : o une première couche (11) en un premier matériau supraconducteur, o une deuxième couche (12) en un second matériau supraconducteur; o une structure de jonction (20) reliant la première couche (11) à la seconde couche (12) et comprenant une couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) présentant au moins un premier domaine magnétique (D1) selon une première direction et un second domaine magnétique (D2) selon une seconde direction opposée à la première direction ; - des moyens de contrôle configurés pour appliquer un courant d’écriture à travers la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) pour modifier la distribution volumique des deux domaines magnétiques dans ladite couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) afin de moduler ledit courant critique (Ic).
2. Dispositif quantique (1) selon la revendication 1 dans lequel l’épaisseur de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) est inférieure ou égale à 10nm.
3. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel l’épaisseur de la première couche (11) et/ou la deuxième couche (12) est comprise entre 20nm et 500nm.
4. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) forme une bande présentant une courbure non nulle ; ladite bande s’étendant selon un plan (X,Y) parallèle à la première face du substrat (SUB).
5. Dispositif quantique (1) selon la revendication 4 dans lequel la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) forme une bande en U ou semi- circulaire ou sinusoïdale ; ladite bande s’étendant selon un plan (X,Y) parallèle à la première face du substrat (SUB).
6. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la structure de jonction (20) est confinée entre d’une part la première couche (11) déposée sur la première face d’un substrat (SUB) et d’autre part la deuxième couche (12).
7. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la première couche (11) et la deuxième couche (12) sont coplanaires ; la structure de jonction (20) reposant sur au moins une partie de la première couche (11) et sur au moins une partie de la deuxième couche (12).
8. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la structure de jonction (20) comprend en outre une couche ferromagnétique à domaine homogène fixe (14) disposée entre la première couche (C1) et la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13).
9. Dispositif quantique (1) selon la revendication 8 dans lequel la structure de jonction (20) comprend en outre une couche de découplage magnétique (15) confinée entre la couche ferromagnétique à domaine homogène fixe (14) et la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13).
10. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications 8 ou 9 dans lequel l’épaisseur de la couche ferromagnétique à domaine homogène fixe (14) est supérieure au double de celle de la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13).
11. Dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications précédentes dans lequel la couche ferromagnétique à domaine hétérogène (13) est en Ni ou en NiFe ou en NiCo ou en CoFeBo ou en CoPt ou en LSMO ou en LCMO.
12. Bit quantique à flux (QB) comprenant: - une boucle supraconductrice formée par le dispositif quantique (1) selon l‘une quelconque des revendications précédentes ; - une source magnétique (2) configurable pour appliquer un flux magnétique externe (Φ) à travers la boucle supraconductrice ; le bit quantique à flux (QB) présentant un premier et un second puits d’énergie séparés par une barrière d’énergie ; la hauteur de la barrière d’énergie étant configurable par la modulation du courant critique (Ic) dudit composant quantique à effet Josephson (10) par les moyens de contrôle (CONT).
13. Bit quantique à flux (QB) selon la revendication précédente dans lequel ladite source magnétique (2) est configurée pour moduler la phase induite par le flux magnétique externe (Φ) de manière à contrôler la position de la barrière d’énergie par rapport au second puits d’énergie.
14. Mémoire quantique (MQ) pour stocker une donnée quantique comprenant : - une boucle supraconductrice formée par deux dispositifs quantiques (1, 1’) selon l‘une quelconque des revendications précédentes montés électriquement en parallèle et disposés symétriquement dans la boucle supraconductrice ; le premier dispositif quantique (1) étant configuré à une première valeur de courant critique (Ic1) prédéterminée et le second dispositif quantique (1’) étant configuré à une seconde valeur de courant critique (Ic2) prédéterminée ; la valeur de la donnée quantique étant codée par la différence entre la première valeur de courant critique (Ic1) et la seconde valeur de courant critique (Ic2).
15. Mémoire quantique (MQ) selon la revendication 14 comprenant en outre des moyens de lecture (LECT) configurés pour appliquer un courant de lecture (I_lect) dans la boucle supraconductrice ayant une amplitude inférieure ou égale à un centième du courant d’écriture ( I_wr).
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