DNA折纸以90%精度在芯片上放置量子光发射器

解决量子光子学的放置问题

构建实用量子光子电路的主要障碍之一是如何以所需的精度放置量子光发射器——即微小的缺陷或纳米晶体，它们可以按需发射单个光子——以便它们与芯片上的光子波导和谐振器可靠地相互作用。研究人员现在展示了一个使用DNA折纸的解决方案：这是将DNA折叠成自定义三维纳米结构的技术，可以精确地在芯片表面的预定位置停靠。

结果——使用DNA折纸定位实现90%的量子发射器放置精度——相比之前的方法是重大进步，并首次使可扩展的量子光子器件制造成为现实。这项研究将分子生物学、材料科学和量子光学结合在一起，说明了当充分运用足够的创新精神时，来自完全不同科学领域的工具如何能够推动量子技术的进步。

DNA折纸的作用

DNA折纸利用DNA化学中可预测的碱基配对规则，使用数百条短互补链作为支架将长DNA单链折叠成特定的形状。由此产生的纳米结构可以以纳米尺度精度设计，包括特定的结合位点——本质上是分子对接槽——与量子发射器（如金刚石纳米晶体中的氮缺陷中心或胶体量子点）的表面化学相匹配。

芯片表面也在预定位置进行化学修饰，创建特定的附着点，DNA折纸结构及其携带的量子发射器将优先地在这些位置结合。自组装过程——由热力学而非机械操作引导——实现了常规拾取放置机器人技术在这个规模上无法达到的放置精度。

90%的突破

之前使用各种化学功能化和光刻方法进行的精密发射器放置尝试实现了30%至50%范围内的产率，限制了可以实现的实际电路复杂性。跳升到90%的放置精度对器件良率来说是变革性的——这意味着具有数十个或数百个发射器位点的量子光子电路变得可制造，具有可容忍的缺陷率，而不是需要英雄式的缺陷纠正才能正常工作。

研究人员通过优化的DNA折纸支架设计、最小化非特异性结合的表面化学和允许自组装过程趋向其热力学最优值的沉积条件的组合实现了这种产率提高。对每个步骤的系统优化逐步促进了整体产率的提高，表明通过继续改进，进一步提高至95%或更高可能是可以实现的。

量子光子学应用

可扩展量子发射器放置所启用的应用跨越多个活跃的研究前沿。量子通信网络需要能够按需生成纠缠光子对的单光子源——这些源必须集成到芯片规模的平台中才能进行任何实际的网络部署。光子量子计算架构需要精确相对于干涉电路放置的可区分单光子发射器阵列。使用发射器的量子态检测磁场、温度或其他物理量的量子传感器需要在传感器几何结构中可重复地放置发射器。

在所有这些情况下，瓶颈是无法以足够的精度和产率大规模放置发射器。DNA折纸方法，如果能够从实验室演示扩展到晶圆级制造工艺，就能以与半导体制造基础设施兼容的方式解决这个瓶颈——这是任何有望商业部署的量子光子技术的关键实际要求。

制造路径

研究人员已经确定了在该技术能够转化为工业规模芯片制造之前存在的若干剩余挑战。DNA折纸沉积目前需要必须小心管理的水溶液条件，以避免损害半导体芯片表面或已在其上制造的光子结构。还需要证明DNA结构在后续制造步骤所需的处理条件下的稳定性。

然而，该方法的基本可行性现在已以之前不确定的方式确立，研究界将迅速着手解决剩余的整合挑战。据报道，半导体代工厂的产业伙伴关系已在探索中，以了解标准工艺流程需要什么修改来容纳基于DNA折纸的发射器放置。

本文基于Interesting Engineering的报道。阅读原始文章。