FR3117605A1 - Magnétomètre et radar quantique à spin-qubit implementés en silicium et controllés electriquement - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un magnétomètre et radar quantique à spin-qubit implémentés en silicium et contrôlé électriquement. Par défaut, chaque élément de détection magnétométrique selon l'invention est construit autour d’un Transistor à Effet de Champ (TEC) implémenté en silicium sur isolant avec une grille-arrière ainsi que deux grilles-avant qui peuvent être placées de manière adjacente le long du canal TEC Drain-Source ou alternativement placées en mode face-à-face et de manière perpendiculaire à ce même canal TEC Drain-Source. Le magnétomètre et radar quantique à spin-qubit implémentés en silicium et contrôlé électriquement de l’invention est particulièrement bien adapté à tout type d’applications radar extrêmement sensibles, mais peut être aussi utilisé pour la prospection minérale / minière, la découverte d’objets astronomiques éloignés, la détection de mines et de métaux ainsi que la tomographie / IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Figure pour l’abrégé : Figure 4b
Description
La présente invention concerne les systèmes radar qui utilisent des ondes électromagnétiques pour détecter la présence, la position et la vitesse d’une cible (objets, personnes …) ainsi que les magnétomètres qui mesurent plus généralement les champs magnétiques.
Dans un système radar, les ondes envoyées par l’émetteur sont réfléchies par la cible et les signaux de retour (appelés échos-radar) sont captés et analysés par le récepteur, souvent situé au même endroit que l’émetteur. La distance est calculée par le temps de propagation aller-retour du signal ; la position angulaire azimutale et d’altitude est, quant à elle, calculée à partir du déphasage des éléments d’antenne et de la fréquence spatiale ; et la vitesse est calculée à partir de la fréquence Doppler, fournissant ainsi une détection complète de la cible dans un espace à 4 dimensions (espace 3D + temps).
Comme illustré par la , un radar quantique (101), également connu sous le nom d’illumination quantique, est une nouvelle forme de radar extrêmement sensible. Cette sensibilité extrême est actuellement obtenue par enchevêtrement quantique et est réalisé par le bloc fonctionnel source biphotonique enchevêtrée (102). La partie Signal de la source biphotonique enchevêtrée (110) est d’abord convertie en onde électromagnétique par un convertisseur électro-opto-mécanique (103), avant d’être envoyée à la cible (106) par un commutateur transmission/réception (104) et une antenne (105). Le signal électromagnétique réfléchi par la cible (112) est ensuite converti en onde optique par un convertisseur électro-opto-mécanique (107) avant d’être corrélé (108) avec le signal de Référence de la source biphotonique enchevêtrée conservé localement (111) suivi par un traitement de signal (109). L’enchevêtrement quantique permet de maintenir une corrélation Signal-Référence extrêmement forte, ce qui augmente l’efficacité de détection des cibles faiblement réfléchissantes dans des environnements avec une faible puissance de signal et un fort bruit de fond.
Le problème cependant, avec les solutions actuelles d’illumination quantique, est qu’elles souffrent de multiples inconvénients constituant un obstacle majeur à leur adoption. Elles sont tout d’abord complexes à implémenter vu que l’enchevêtrement quantique doit être réalisé optiquement. Elles souffrent également d’un manque d’effets d’échelle (par rapport des solutions à base de silicium) pour le déploiement sur un marché de masse. Qui plus est, leur espace d’utilisation est très limité. Contrairement aux radars classiques qui peuvent interroger de nombreuses cibles potentielles sur plusieurs intervalles de distance, vitesses et angles d’arrivée, les solutions actuelles d’illumination quantique ne peuvent être utilisées que pour la détection de présence de cible (c’est-à-dire la présence ou non d’une cible pour une hypothèse prédéterminée de distance ou bien d’azimut ou élévation à la fois) et, à ce titre, ne remplissent pas pleinement le rôle d’un système radar telle que décrit ci-dessus.
Le radar quantique à spin-qubit contrôlé électriquement, selon l’invention, propose d’éliminer toutes les limitations susmentionnées en permettant une détection complète et extrêmement sensible de la cible dans un espace à 4 dimensions (espace 3D + temps) via une implémentation en silicium pour un déploiement marché à grande échelle.
Une caractéristique du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est que chaque élément de détection magnétométrique (utilisé comme intervalle de mesure de distance en mode radar) est construit autour d’un Transistor à Effet de Champ (TEC) implémenté en silicium sur isolant avec une grille-arrière ainsi que deux grilles-avant, respectivement appelé grille-Manipulation et grille-Lecture, qui peuvent être placées de manière adjacente le long du canal TEC Drain-Source ou alternativement placées en mode face-à-face et de manière perpendiculaire à ce même canal TEC Drain-Source.
Une autre caractéristique du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est que la fréquence micro-ondes réfléchie par la cible pour un intervalle de mesure donné provoquera une rotation spin-qubit du Point Quantique (PQ) résidant sous la grille-Manipulation à une fréquence Rabi proportionnelle à l’ampleur du signal réfléchi. L’ampleur du signal réfléchi est ensuite récupérée, soit par mesure du courant drain-source, soit par réflectométrie RF (Radio Fréquence), par le Point Quantique résidant sous la grille-Lecture.
Une autre caractéristique du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est qu’il peut être étendu à plusieurs intervalles de mesure de distance via l’implémentation d’une série de grilles avant en mode face-à-face placées en parallèle le long d’un canal FET Drain-Source et ayant ces mêmes grilles avant en mode face-à-face connectées à une ou plusieurs antennes via des filtres, amplificateurs et mixeurs optionnels. Une telle configuration permettant alors le calcul de la distance de la cible avec une résolution très fine, ainsi que de sa vitesse via le changement de phase-Doppler, et de sa position angulaire azimutale et d’altitude à partir du déphasage des éléments d’antenne et de la fréquence spatiale.
Une autre caractéristique du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est que les grilles-arrière sont utilisées non seulement pour contrôler le couplage entre les deux points quantiques résidant respectivement sous la grille-Manipulation et la grille-Lecture d’un élément de détection magnétométrique donné, mais aussi pour réduire la dissipation de chaleur de l’électronique de contrôle environnante, pour une opération en mode cryo-CMOS (semiconducteur d'oxyde de métal complémentaire à très faible températures), via l’ajustement de la tension seuil TEC et de sa pente de sous-conduction.
Dans d’autres incarnations de la présente invention, le magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention peut en outre être utilisé comme magnétomètre simple pour la mesure d’un champ/flux magnétique statique et dynamique.
Les dessins annexés illustrent l’invention et il est à noter que les mêmes chiffres de référence désignent des parties identiques ou correspondantes pour l’ensemble des différentes figures.
La montre l’implémentation actuelle d’un radar quantique avec une source biphotonique enchevêtrée; La vue transversale de la le long de la longueur de la grille TEC montre une incarnation du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention avec les deux grilles avant, grille-Manipulation et grille-Lecture, placées l’une à côté de l’autre le long du canal TEC Drain-Source; La vue transversale de la le long de la largeur de la grille TEC illustre une autre incarnation du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention avec les deux grilles avant, grille-Manipulation et grille-Lecture, placées en mode face-à-face et de manière perpendiculaire au canal TEC Drain-Source; montre, dans un espace tridimensionnel, une autre incarnation du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention étendu à plusieurs intervalles de mesure de distance via l’implémentation d’une série de grilles avant en mode face-à-face placées en parallèle le long d’un canal FET Drain-Source et ayant ces mêmes grilles avant en mode face-à-face connectées à une même antenne via des filtres, amplificateurs et un mixeur optionnel. illustre, dans un espace tridimensionnel, une autre incarnation du magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention étendu à plusieurs intervalles de mesure de distance via l’implémentation d’une série de grilles avant en mode face-à-face placées en parallèle le long d’un canal FET Drain-Source et ayant ces mêmes grilles avant en mode face-à-face connectées à des antennes différentes via des filtres et amplificateurs séparés et mixeurs optionnels.
Dans une implémentation préférée de la présente invention présentée en , chaque élément de détection magnétométrique (utilisé comme intervalle de mesure de distance en mode radar), est construit autour d’un Transistor à Effet de Champ (TEC) implémenté en silicium (212) sur isolant (201) sur silicium (215) avec une grille-arrière (214) ainsi que deux grilles-avant, respectivement appelé grille-Manipulation (202) sur oxyde de silicium (203) et grille-Lecture (206) sur oxyde de silicium (207), qui sont placées de manière adjacente le long du canal silicium (212) TEC Drain (211) – Source (210).
Après l’initialisation des deux grilles-avant dans leurs états quantiques de repos, la grille- avant de manipulation (202) d’un élément de détection donné (utilisé comme intervalle de mesure de distance en mode radar) est tout d’abord activée et polarisée via une des entrées de l’arbre de polarisation (204) avant d’appliquer sur cette même grille la fréquence micro-ondes réfléchie par la cible via l’autre entrée de l’arbre de polarisation (204). Cette fréquence micro-ondes induit alors une rotation spin-qubit du point-quantique sous-jacent (205), qui peut être soit un électron ou un proton, entre les États Zeeman à une fréquence Rabi proportionnelle à l’ampleur du signal réfléchi durant la mesure.
À la fin du temps d’activation pour un élément de détection donné, la grille de manipulation correspondante (202) est désactivée et la rotation résultante du spin-qubit est lue via le deuxième point-quantique (209) résidant sous la grille-Lecture (206). Le couplage entre le point-quantique manipulation (205) et point-quantique lecture (209) étant contrôlé via la tension de polarisation (216) sur la grille-arrière (214). L’amplitude du signal réfléchi pour cet élément de détection donné étant ensuite récupéré via la mesure du courant drain (211) – Source (210) (conversion de spin-en-charge par effets de blocage Coulomb et blocage de spin) par l’intermédiaire d’un convertisseur de courant-tension (217).
Dans une autre incarnation préférée de la présente invention illustrée en , chaque élément de détection magnétométrique (utilisé comme intervalle de mesure de distance en mode radar), est construit autour d’un Transistor à Effet de Champ (TEC) implémenté en silicium (312) sur isolant (301) sur silicium (315) avec une grille-arrière (314) ainsi que deux grilles-avant, respectivement appelé grille-Manipulation (302) sur oxyde de silicium (303) et grille-Lecture (306) sur oxyde de silicium (307), qui sont placées en mode face-à-face et de manière perpendiculaire au canal silicium (312) TEC Drain – Source.
Après l’initialisation des deux grilles avant dans leurs états quantiques de repos, la grille- avant de manipulation (302) d’un élément de détection donné (utilisé comme intervalle de mesure de distance en mode radar) est tout d’abord activée et polarisée via une des entrées de l’arbre de polarisation (304) avant d’appliquer sur cette même grille la fréquence micro-ondes réfléchie par la cible via l’autre entrée de l’arbre de polarisation (304). Cette fréquence micro-ondes induit alors une rotation spin-qubit du point-quantique sous-jacent (305), qui peut être soit un électron ou un proton, entre les États Zeeman à une fréquence Rabi proportionnelle à l’ampleur du signal réfléchi durant la mesure.
À la fin du temps d’activation pour un élément de détection donné, la grille de manipulation correspondante (302) est désactivée et la rotation résultante du spin-qubit est lue via le deuxième point-quantique (309) résidant sous la grille-Lecture (306). Le couplage entre le point-quantique manipulation (305) et point-quantique lecture (309) étant contrôlé via la tension de polarisation (316) sur la grille-arrière (314). L’amplitude du signal réfléchi pour cet élément de détection donné étant ensuite récupéré via réflectométrie RF (Radio Fréquence), c’est-à-dire changement de la fréquence de résonance du résonateur placé en sortie et constitué d’une inductance (310), d’un condensateur (311), d’un arbre de signal d’entrée/sortie (308) et relié par son autre extrémité à la terre (313).
Dans l’incarnation de la présente invention montrée en , l’approche ci-dessus avec des grilles-avant placées en mode face-à-face pour un élément de détection magnétométrique donné, et implémenté en silicium (412) sur isolant (401) sur silicium (415), est étendue à plusieurs intervalles de mesure de distance. Ceci étant réalisé via l’implémentation d’une série de grilles-avant en mode face-à-face placées en parallèle le long d’un canal silicium (412) FET Drain (418) – Source (417) et ayant la série de grilles-Manipulation (402), avec leurs points quantiques sous-jacents respectifs (405), connectées à une même antenne (419) via un (420) ou plusieurs filtres supplémentaires optionnels (423), un amplificateur (421) et un mixeur (422) optionnel avec oscillateur local. La série de grilles-Lecture (406), avec leurs points quantiques sous-jacents respectifs (409), sont quant à elles connectées à des résonateurs LC séparés, chacun étant constitué d’une inductance (410), d’un condensateur (411), d’un arbre de signal d’entrée / sortie (408) et relié par leur autre extrémité à la terre (413). Le couplage entre chaque point-quantique Manipulation (405) et point-quantique Lecture (409) étant ici à nouveau contrôlé via la tension de polarisation (416) sur la grille-arrière correspondante (414). Une telle configuration permettant alors le calcul de la distance de la cible avec une résolution très fine ainsi que de sa vitesse via le changement de phase-Doppler.
Dans l’incarnation de la présente invention illustrée en , l’approche ci-dessus avec des grilles-avant placées en mode face-à-face pour un élément de détection magnétométrique donné, et implémenté en silicium (412) sur isolant (401) sur silicium (415), est étendue à plusieurs intervalles de mesure de distance. Ceci étant réalisé via l’implémentation d’une série de grilles-avant en mode face-à-face placées en parallèle le long d’un canal silicium (412) FET Drain (418) – Source (417) et ayant la série de grilles-Manipulation (402), avec leurs points quantiques sous-jacents respectifs (405), connectées à des antennes différentes (419) via une série d’un (420) ou plusieurs filtres supplémentaires optionnels (423), d’amplificateur (421) et de mixeurs (422) optionnels avec oscillateur local. La série de grilles-Lecture (406), avec leurs points quantiques sous-jacents respectifs (409), sont quant à elles connectées à des résonateurs LC séparés, chacun étant constitué d’une inductance (410), d’un condensateur (411), d’un arbre de signal d’entrée / sortie (408) et relié par leur autre extrémité à la terre (413). Le couplage entre chaque point-quantique Manipulation (405) et point-quantique Lecture (409) étant ici à nouveau contrôlé via la tension de polarisation (416) sur la grille-arrière (414) correspondante. Une telle configuration permettant alors le calcul de la distance de la cible avec une résolution très fine, ainsi que de sa vitesse via le changement de phase-Doppler, et de sa position angulaire azimutale et d’altitude à partir du déphasage des éléments d’antenne et de la fréquence spatiale. Une détection complète et ultra-sensible de la cible dans un espace à 4 dimensions (espace 3D + temps) est ainsi réalisée via une implantation en silicium contrôlée électriquement.
Bien que non illustré, il convient également de noter que les grilles-arrière peuvent non seulement être utilisées pour contrôler le couplage entre les deux points quantiques d’un élément de détection magnétométrique donné, tel que décrit et illustré précédemment, mais aussi pour réduire la dissipation de chaleur de l’électronique de contrôle environnante, pour une opération en mode cryo-CMOS (semiconducteur d'oxyde de métal complémentaire à très faible températures), via l’ajustement de la tension seuil TEC et de sa pente de sous-conduction.
Enfin, et bien que l’élément de détection magnétométrique illustré en et est utilisé comme élément de construction d’un système radar quantique à spin-qubit (intervalle de mesure de distance), d’autres modes de réalisation peuvent les utiliser à des fins différentes. Par exemple, et selon des incarnations non illustrées de la présente invention, l’élément de détection magnétométrique illustré en et pourrait être utilisé comme magnétomètre simple pour la mesure d’un champ/flux magnétique statique et dynamique via respectivement une séquence Ramsey ou spin-écho.
Le magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est donc particulièrement bien adapté à tout type d’applications radar extrêmement sensibles, mais peut être aussi utilisé pour la prospection minérale / minière, la découverte d’objets astronomiques éloignés, la détection de mines et de métaux ainsi que la tomographie / IRM (Imagerie par Résonance Magnétique).
Le magnétomètre et radar quantique à spin-qubit selon l’invention est donc particulièrement bien adapté à tout type d’applications radar extrêmement sensibles, mais peut être aussi utilisé pour la prospection minérale / minière, la découverte d’objets astronomiques éloignés, la détection de mines et de métaux ainsi que la tomographie / IRM (Imagerie par Résonance Magnétique).
Claims (9)
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit caractérisé en ce qu’il est construit autour d’un transistor à effet de champ implémenté en silicium sur isolant avec une grille-arrière ainsi que deux grilles-avant.
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première grille-avant est adjacente à la deuxième grille-avant le long du canal drain-source du transistor à effet de champ et où la grille-arrière est utilisée pour contrôler le couplage entre la première et la deuxième grille-avant via polarisation.
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première grille-avant est placée en face de la deuxième grille-avant et perpendiculairement au canal drain-source du transistor à effet de champ et où une grille-arrière est utilisée pour contrôler le couplage entre la première et la deuxième grille-avant via polarisation
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu’un champ magnétique est appliqué sur la première grille- avant polarisée pour la rotation spin-qubit d’un point quantique sous-jacent
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième grille-avant polarisée est utilisée pour la lecture de la rotation spin-qubit subie par le point quantique de la première grille-avant via un deuxième point quantique résidant sous la deuxième grille-avant par conversion de spin-en-charge.
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième grille-avant polarisée est utilisée pour la lecture de la rotation spin-qubit subie par le point quantique de la première grille-avant via un deuxième point quantique résidant sous la deuxième grille-avant par réflectométrie radiofréquence.
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il est placé parallèlement à d’autres magnétomètres quantiques à spin-qubit, tels que récités selon la revendication 3, le long du canal drain-source d’un transistor à effet de champ, et caractérisé en ce que l’ensemble de ces magnétomètres quantiques à spin-qubit est connecté à une antenne par l’intermédiaire d’un filtre, d’un amplificateur et d’un mixeur afin de former les intervalles de mesure de distance d’un système radar quantique à spin-qubit pour le calcul distance et vitesse de cibles-radar.
- Un système radar quantique à spin-qubit selon la revendication 7, caractérisé en ce que les magnétomètres quantiques à spin-qubit sont connectés à des antennes, filtres, amplificateurs et mixeur différents afin d’obtenir également la position angulaire azimutale et d’altitude de cibles-radar à partir du déphasage spatial.
- Un magnétomètre quantique à spin-qubit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille-arrière est également utilisée pour réduire la dissipation de chaleur de l’électronique de contrôle environnante via l’ajustement de la tension seuil du transistor à effet de champ et de sa pente de sous-conduction
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