DNA折纸“编程”量子光源上芯片:定位良率约90%、精度达13纳米,推进可扩展集成

在信息技术向量子时代跃迁的关键阶段,如何实现量子光源的精准定位成为制约芯片化量子器件发展的核心难题;传统制造工艺依赖材料固有缺陷产生单光子发射,不仅定位随机性高,且产率普遍低于30%,严重阻碍了量子器件的规模化应用。 针对该世界性技术瓶颈,南京大学联合斯科尔科沃科技学院、慕尼黑大学组成跨国攻关团队,开创性地将生物纳米技术与半导体物理相融合。研究采用DNA折纸三角形作为分子尺度的"工程图纸",通过硫醇分子与二硫化钼晶格的精准键合,在预定位置构建激子捕获位点。实验数据显示,这种混合结构不仅实现13纳米的定位精度,更将有效产率提升至90%的行业新高。 该技术的突破性进展体现在三个维度:其一,通过DNA模板的可编程特性,首次实现量子发射器的空间排布可控;其二,硫醇-空位相互作用机制保障了发射器光谱稳定性,彻底解决了传统方案中光漂白导致的性能衰减;其三,单光子发射纯度达到量子计算标准,纳秒级寿命指标满足实际应用需求。 值得关注的是,这项技术表现出良好的产业化前景。研究团队证实,现有方案可直接对接晶圆级生产工艺,通过调整DNA模板的分子参数,还能继续优化光子纯度并实现手性量子光等高级功能。这为开发集成化量子光子芯片提供了全新路径,使量子计算机的小型化、模块化成为可能。

从随机缺陷到精确定位,从单点实现到阵列化布局,这项利用DNA折纸技术控制二维材料发光中心的研究,展示了可编程制造在量子器件领域的潜力;未来研究需要解决大规模一致性、光子电路集成以及长期稳定性等关键问题,以推动该技术的实际应用。