حل مشكلة الوضع في الفوتونيات الكمومية
كان أحد العقبات الأساسية لبناء دوائر فوتونية كمومية عملية هو التحدي المتمثل في وضع باعثات الضوء الكمومي — عيوب صغيرة أو بلورات نانوية تنبعث منها فوتونات فردية عند الطلب — بالدقة المطلوبة لتفاعلها بشكل موثوق مع أدلة الموجات الفوتونية والرنانات على رقيقة. أظهر الباحثون الآن حلاً باستخدام DNA origami: تقنية طي DNA في هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد مخصصة يمكن تصميمها للالتحام بدقة في مواقع محددة مسبقاً على سطح الرقاقة.
النتيجة — دقة وضع بنسبة 90 في المائة لباعثات الكم باستخدام تحديد موضع DNA origami — تمثل تحسناً كبيراً على الطرق السابقة وتضع تصنيع أجهزة فوتونية كمومية قابلة للتوسع في متناول اليد للمرة الأولى. يجمع البحث بين علم الأحياء الجزيئية وعلم المواد وعلم البصريات الكمومية، ويوضح كيف يمكن لأدوات من مجالات علمية مختلفة تماماً فتح آفاق التقدم في تكنولوجيا الكم عند تطبيقها بحنكة كافية.
ما يفعله DNA Origami
يستغل DNA origami قواعد الاقتران الأساسية القابلة للتنبؤ في كيمياء DNA لطي خيط DNA طويل في شكل معين باستخدام مئات من الخيوط القصيرة المتكاملة كدبابيس. يمكن تصميم الهيكل النانوي الناتج بدقة في الحجم النانومتري، بما في ذلك مواقع ربط محددة — في الأساس فتحات الالتحام الجزيئية — التي تتطابق مع كيمياء السطح لباعثات الكم مثل مراكز النقص بين النيتروجين والفراغ في بلورات الماس النانوية أو النقاط الكمومية الغروية.
يتم أيضاً تحضير سطح الرقاقة بتعديلات كيميائية متكاملة في مواقع محددة مسبقاً، مما ينشئ نقاط ربط محددة حيث ستلتحم هياكل DNA origami بشكل تفضيلي، حاملة معها حمولة باعثها الكمومي. تحقق عملية التجميع الذاتي — الموجهة بالديناميكا الحرارية بدلاً من التلاعب الميكانيكي — دقة الوضع التي لا تستطيع تقنيات الالتقاط والوضع الروبوتية التقليدية مطابقتها بهذا الحجم.
اختراق 90 في المائة
حققت المحاولات السابقة لوضع الباعث بدقة عائدات في نطاق 30 إلى 50 في المائة باستخدام العديد من نهج الوظائف الكيميائية والحجر الطباعي، مما يحد من تعقيد الدارة العملية التي يمكن تحقيقها. القفزة إلى دقة الوضع بنسبة 90 في المائة تحويلية لعائد الجهاز — فهذا يعني أن الدوائس الفوتونية الكمومية التي تحتوي على عشرات أو مئات من مواقع الباعث تصبح قابلة للبناء بمعدلات عيوب محتملة، بدلاً من المطالبة بتصحيح عيوب بطولي للعمل.
حقق الباحثون هذا تحسن العائد من خلال مزيج من تصميم السقالة DNA origami المحسّن، وكيمياء السطح التي تقلل الربط غير المحدد، وظروف الترسيب التي تسمح لعملية التجميع الذاتي بالمضي قدماً نحو أمثليتها الديناميكية الحرارية. ساهمت التحسينات المنهجية لكل خطوة بشكل تدريجي في كسب العائد الكلي، مما يشير إلى أن المزيد من التحسن نحو 95 في المائة أو أعلى قد يكون قابلاً للتحقيق مع الصقل المستمر.
تطبيقات الفوتونيات الكمومية
تمتد التطبيقات الممكنة من خلال وضع باعث كمومي قابل للتوسع إلى عدة جبهات بحثية نشطة. تتطلب شبكات الاتصالات الكمومية مصادر فوتون واحد يمكنها توليد أزواج فوتون متشابكة عند الطلب — مصادر يجب دمجها في منصات على مستوى الرقاقة لأي نشر شبكة عملي. تحتاج معماريات الحوسبة الكمومية الفوتونية إلى مصفوفات من باعثات فوتون واحد التي لا يمكن تمييزها موضوعة بدقة بالنسبة للدوائر التداخلية. تحتاج أجهزة استشعار كمومية تستخدم الحالات الكمومية للباعثات لكشف المجالات المغناطيسية أو درجة الحرارة أو الكميات الفيزيائية الأخرى إلى موضع باعثات بشكل متكرر في هندسات المستشعر.
في جميع هذه الحالات، كان الاختناق هو عدم القدرة على وضع الباعثات على نطاق واسع بدقة وعائد كافيين. يعالج نهج DNA origami، إذا كان يمكن توسيعه من عرض المختبر إلى عمليات التصنيع على نطاق الوافر، هذا الاختناق بطريقة متوافقة مع بنية التصنيع شبه الموصلات — وهي متطلبة عملية حاسمة لأي تكنولوجيا فوتونية كمومية تطمح إلى النشر التجاري.
المسار نحو التصنيع
حدد الباحثون عدة تحديات متبقية قبل أن تتمكن التقنية من ترجمتها إلى تصنيع الرقاقات على نطاق صناعي. يتطلب ترسيب DNA origami حالياً ظروف محلول مائي يجب إدارتها بعناية لتجنب إتلاف سطح رقاقة أشباه الموصلات أو الهياكل الفوتونية المصنوعة بالفعل عليها. كما يجب إثبات استقرار هياكل DNA تحت شروط المعالجة المطلوبة لخطوات التصنيع اللاحقة.
ومع ذلك، تم الآن إنشاء جدوى النهج الأساسية بطريقة كانت غير مؤكدة سابقاً، وستنقل مجتمع البحث بسرعة إلى معالجة التحديات المتبقية للتكامل. يُذاع أن الشراكات الصناعية مع مسابك أشباه الموصلات قد تم استكشافها بالفعل لفهم التعديلات على تدفقات العمليات القياسية التي ستكون مطلوبة لاستيعاب وضع الباعث القائم على DNA origami.
تستند هذه المقالة إلى تقارير من Interesting Engineering. اقرأ المقالة الأصلية.
