Résoudre le problème de positionnement de la photonique quantique
L'un des obstacles centraux à la construction de circuits photoniques quantiques pratiques a été le défi de placer les émetteurs de lumière quantique — petits défauts ou nanocristaux qui émettent des photons individuels à la demande — avec la précision requise pour qu'ils interagissent de manière fiable avec les guides d'ondes photoniques et les résonateurs sur une puce. Les chercheurs ont maintenant démontré une solution utilisant DNA origami : la technique de plier l'ADN en nanostructures tridimensionnelles personnalisées qui peuvent être conçues pour s'accoupler précisément à des emplacements prédéterminés sur la surface d'une puce.
Le résultat — une précision de positionnement de 90 pour cent pour les émetteurs quantiques utilisant le positionnement DNA origami — représente une amélioration majeure par rapport aux méthodes antérieures et rend possible pour la première fois la fabrication évolutive de dispositifs photoniques quantiques. La recherche, qui réunit la biologie moléculaire, la science des matériaux et l'optique quantique, illustre comment les outils de domaines scientifiques complètement différents peuvent déverrouiller le progrès de la technologie quantique lorsqu'ils sont appliqués avec suffisamment d'ingéniosité.
Ce que fait DNA Origami
DNA origami exploite les règles prévisibles d'appariement de bases de la chimie de l'ADN pour plier un long brin d'ADN en une forme spécifique en utilisant des centaines de brins courts complémentaires comme agrafes. La nanostructure résultante peut être conçue avec une précision à l'échelle nanométrique, y compris des sites de liaison spécifiques — essentiellement des emplacements d'amarrage moléculaires — qui correspondent à la chimie de surface des émetteurs quantiques comme les centres de défaut azote-lacune dans les nanocristaux de diamant ou les points quantiques colloïdaux.
La surface de la puce est également préparée avec des modifications chimiques complémentaires à des positions prédéterminées, créant des points d'attachement spécifiques où les structures DNA origami, portant leur charge d'émetteur quantique, se lieront de préférence. Le processus d'auto-assemblage — guidé par la thermodynamique plutôt que par la manipulation mécanique — réalise la précision de positionnement que les techniques robotiques conventionnelles de prise et placement ne peuvent égaler à cette échelle.
La percée de 90 pour cent
Les tentatives antérieures de positionnement d'émetteur avec précision ont atteint des rendements dans la gamme de 30 à 50 pour cent utilisant diverses approches de fonctionnalisation chimique et de lithographie, limitant la complexité pratique des circuits qui pourrait être réalisée. Le saut à la précision de positionnement de 90 pour cent est transformateur pour le rendement des dispositifs — cela signifie que les circuits photoniques quantiques avec des dizaines ou des centaines de sites d'émetteur deviennent constructibles avec des taux de défaut tolérable, plutôt que de nécessiter une correction héroïque des défauts pour fonctionner.
Les chercheurs ont obtenu cette amélioration du rendement grâce à une combinaison de conception d'échafaudage DNA origami optimisée, de chimie de surface qui minimise la liaison non spécifique, et de conditions de dépôt qui permettent au processus d'auto-assemblage de progresser vers son optimum thermodynamique. L'optimisation systématique de chaque étape a contribué de manière progressive au gain de rendement global, suggérant que d'autres améliorations vers 95 pour cent ou supérieur pourraient être réalisables avec un affinement continu.
Applications de la photonique quantique
Les applications rendues possibles par le positionnement évolutif des émetteurs quantiques couvrent plusieurs fronts de recherche actifs. Les réseaux de communication quantique nécessitent des sources de photon unique qui peuvent générer des paires de photons intriqués à la demande — des sources qui doivent être intégrées dans des plates-formes à l'échelle des puces pour tout déploiement de réseau pratique. Les architectures de calcul quantique photonique ont besoin de réseaux d'émetteurs de photon unique indiscernables positionnés précisément par rapport aux circuits interférométriques. Les capteurs quantiques qui utilisent les états quantiques des émetteurs pour détecter les champs magnétiques, la température ou d'autres quantités physiques ont besoin d'émetteurs positionnés de manière reproductible dans les géométries des capteurs.
Dans tous ces cas, le goulot d'étranglement a été l'incapacité à placer les émetteurs à l'échelle avec une précision et un rendement adéquats. L'approche DNA origami, si elle peut être étendue de la démonstration en laboratoire aux processus de fabrication à l'échelle de la plaquette, aborde ce goulot d'étranglement d'une manière compatible avec l'infrastructure de fabrication des semi-conducteurs — une exigence pratique critique pour toute technologie photonique quantique qui aspire au déploiement commercial.
Voie vers la fabrication
Les chercheurs ont identifié plusieurs défis subsistants avant que la technique puisse être traduite en fabrication de puces à l'échelle industrielle. Le dépôt de DNA origami nécessite actuellement des conditions de solution aqueuse qui doivent être gérées avec soin pour éviter d'endommager la surface de la puce semi-conductrice ou les structures photoniques déjà fabriquées sur celle-ci. La stabilité des structures d'ADN dans les conditions de traitement requises pour les étapes de fabrication ultérieures doit également être démontrée.
Cependant, la viabilité fondamentale de l'approche a maintenant été établie d'une manière qui était auparavant incertaine, et la communauté de recherche avancera rapidement pour relever les défis d'intégration restants. Des partenariats industriels avec des fonderies de semi-conducteurs sont apparemment déjà explorés pour comprendre quelles modifications aux flux de procédés standard seraient nécessaires pour accommoder le positionnement des émetteurs basé sur DNA origami.
Cet article est basé sur les reportages d'Interesting Engineering. Lire l'article original.
