EAGER: Quantum Manufacturing: Scalable Manufacturing of Molecular Qubit Arrays Using Self-assembled DNA

EAGER:量子制造:使用自组装 DNA 进行分子量子位阵列的可扩展制造

基本信息

  • 批准号:
    2240309
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-05-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

In contrast to silicon-based materials commonly used for conventional computing and sensing devices, new materials are needed to similarly enable the low-cost, ubiquitous manufacturing and deployment of quantum sensing and computing systems for a variety of applications in health and diagnostics, autonomy and robotics, and other technological areas of major societal need. Toward this end, this EArly-concept Grant for Exploratory Research (EAGER) Quantum Manufacturing award supports nanotechnology research to control the 2D spatial positions and orientation of molecular “qubits” to fabricate multi-qubit systems and devices. Novel device readouts of these qubit networks will be manufactured and characterized with potential for integration into conventional and practical photonic circuit architectures. An interdisciplinary team of investigators from chemistry, biological engineering, and electrical engineering will be assembled to pursue this transformative approach towards scalable quantum device fabrication, which will shift how qubit manufacturing can be implemented at scale. The research will enhance US competitiveness in this growing global technology field. Innovative curriculum development related to this research will be pursued at the undergraduate and graduate levels, including mentoring high school students, women, and underrepresented minorities.Optically-addressable qubits provide a generalizable platform for quantum information science. However, the lack of precise spatial distribution of nanovacancy color-centers into qubit-networks has hindered their translation towards scalable, low-cost device fabrication. Recent progress in chemically-tailorable organometallic spin qubit systems show promise as an alternative, whereby chemical synthesis affords bottom-up qubit design and portability across different environments. However, these organometallic qubits require dilution in a host-matrix co-crystal for solid state implementation, yielding distributed color-center environments and density across a matrix that prevents controlled, scalable qubit-networking. As an alternative, single-molecule addressability of highly programmable DNA assemblies programmed using the principle of DNA origami will be leveraged together with chemically-tailorable organometallic qubits to realize a scalable manufacturing platform for spatially controlled qubits. Distinct organometallic color-centers using these DNA-based scaffolds will enable the integration of qubits into higher-order spatial networks to fabricate multi-qubit systems and devices. 2D DNA architectures will be patterned with nanoscale position and orientation onto device surfaces using programmable shape matching of the DNA structure to lithographically-patterned semiconductor layers. Quantum sensing of biological analytes with addressable proximity to the qubits on a DNA platform will be prototyped.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
与通常用于常规计算和传感设备的基于硅的材料相反,需要新材料来类似地实现量子敏感性和计算系统的低成本,无处不在的制造和部署,以在健康和诊断,自主权和机器人技术,自动和机器人以及其他技术领域的其他技术领域中进行多种应用。为此,这项探索性研究(急切)量子制造奖的早期概念赠款支持纳米技术研究,以控制2D空间位置和分子“量子”的方向,以构建多Qubit Systems和设备。这些Qubit网络的新型设备读数将被制造和表征,并具有将其集成到常规和实用光子电路体系结构中的潜力。将组装化学,生物工程和电气工程的研究人员的跨学科研究团队,以将这种变革性的方法用于可扩展的量子设备制造,这将改变如何按规模实施量子制造。这项研究将增强美国在这个不断发展的全球技术领域的竞争力。与这项研究相关的创新课程开发将在本科和研究生级别进行,包括高中生,妇女和代表性不足的少数群体。可观的地理数量为量子信息科学提供了可推广的平台。然而,缺乏将纳米分析颜色中心的精确空间分布到Qubit-Networks中的,这阻碍了它们向可扩展的低成本设备制造的翻译。化学尾式有机旋转量子量子系统的最新进展表现出了替代方案,因此化学合成提供了跨不同环境的自下而上的量子设计和便携性。但是,这些有机码头需要在宿主马trix共晶中稀释以进行固态实施,从而在矩阵上产生分布式的颜色中心环境和密度,以防止受控,可伸缩的Qubit-networking。作为替代性的,使用DNA折纸原理编程的高度可编程DNA组件的单分子可寻址性将与化学尾巴有机码头一起利用,以实现用于空间控制码头的可扩展制造平台。使用这些基于DNA的脚手架的不同有机色中心将使Qubits整合到高阶空间网络中,以制造多Qubit Systems和设备。 2D DNA体系结构将使用纳米级位置和方向对设备表面进行图案化,并使用DNA结构的可编程形状匹配到印刷图案的半导体层。生物分析物具有与DNA平台上Qubits可寻址近端的生物分析物的量子敏感性。该奖项反映了NSF的法定任务,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准来评估NSF的法定任务。

项目成果

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