“感知-响应”智能3D打印新技术
图1. GRACE打印实验装置示意图
获取的3D坐标数据被输入到参数化建模软件（Rhino3D及其Grasshopper插件）中。研究人员预先定义了一系列参数化模型，软件可根据输入的坐标、半径或光谱信息等数据，在几秒钟内自动生成定制化的几何模型。图2展示了该方法的强大功能：系统能够围绕随机分布的藻酸盐微球生成包裹式的血管通道网络（图2a）、打印支架将多个微球连接起来（图2b）、或对单个特征进行封装（图2c）。更进一步，GRACE还能根据特征的物理或化学属性进行条件判断，例如，为半径小于0.5 mm的微球生成单一通道，而为大于等于0.5 mm的微球生成复杂的包裹网络（图2d），或根据不同的荧光标记生成不同形态的结构（图2e）。此外，通过自动对齐算法，该系统还能在已打印的股骨模型上精确打印出软骨层，实现多部件的顺序制造（图2f）。
图2. GRACE打印自适应和特征驱动的复杂几何结构
为了解决光在打印过程中被不透明物体遮挡而产生“阴影”伪影的问题，将光片扫描用作表面轮廓仪，通过捕捉反射信号来绘制遮挡物的3D表面图。如图3所示，该流程首先扫描并绘制出遮挡物的3D地图（图3a），然后将此信息输入到对象空间模型优化（OSMO）算法中，该算法会迭代优化打印投影，以补偿遮挡物造成的光线衰减。研究人员通过在一个由10根不透明支柱组成的遮挡物周围打印一个齿轮模型来验证该方法。结果显示，经过校正后的打印件（图3d，右）质量远优于未校正的打印件（图3d，左），其Jaccard相似性指数从0.70提升至0.945（图3b）。在更具挑战性的“笼中球”模型中（图3e），校正后的球体打印件均方根误差显著降低，球形度也大幅提高（图3g,h），证明了该方法在复杂遮挡环境下的有效性。
图3. 光片映射遮挡结构与阴影校正
进一步展示了GRACE在生物制造领域的巨大潜力。首先，他们将嵌入式挤出打印与GRACE相结合，在含有胰岛β细胞（iβ-cells）的环状结构周围，自适应地生成了优化的血管样通道网络（图4a,b）。经过24小时的动态培养，与随机通道或无通道的对照组相比，GRACE打印的结构中细胞的胰岛素原分泌量显著增加（图4d），表明优化的通道布局有效改善了细胞功能。其次，利用自动对齐功能，团队成功地顺序打印了由间充质干细胞（MSCs）构成的股骨部分和由软骨祖细胞（ACPCs）构成的软骨层，构建了具有仿生结构的骨软骨模型（图4e）。经过4周的培养，组织学染色证实了各细胞在其预定区域内成功分化并合成了相应的基质（图4f）。最后，研究还证明了GRACE可与其他打印技术兼容。
图4. GRACE实现功能性活体组织中细胞位置驱动特征的生物打印
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09436-7
用于量子信息应用的3D打印微型离子阱技术
离子阱技术是量子信息科学、精密测量、光学原子钟和质谱分析等领域的核心工具之一。传统的3D Paul阱通过精密机械加工制成，具有近乎理想的谐波势、高囚禁效率和较大的陷阱深度，但其尺寸通常较大，限制了其在规模化量子计算中的应用。
2025年9月3日，加州大学伯克利分校Hartmut Häffner教授团队与合作者在Nature上发表题为“3D-printed micro ion trap technology for quantum information applications”研究论文。加州大学伯克利分校物理系博士生Shuqi Xu为一作兼通讯，劳伦斯利弗莫尔国家实验室Xiaoxing Xia博士为共同一作兼通讯，Hartmut Häffner教授、劳伦斯利弗莫尔国家实验室Juergen Biener教授为共同通讯作者。
诸如量子信息处理、精密测量 、光学时钟和质谱分析 等离子阱应用依赖于专门的高性能离子阱。后三种应用通常采用传统机械加工定制宏观的三维保罗阱，而量子信息处理实验通常依靠光刻技术来缩小阱的尺寸并满足可扩展性要求。然而，使用光刻技术制造所需的复杂三维电极结构以实现最佳限制颇具挑战性。在此，工作展示了一种基于双光子聚合（2PP） 的高分辨率三维打印技术，能够制造出高性能的微型三维阱的大阵列。研究证明，三维打印的离子阱结合了传统机械加工的三维阱的优势，例如强大的径向限制，同时实现了芯片上的微型化。在三维打印的离子阱中捕获钙离子，其径向阱频率范围为 2 MHz 至 24 MHz。这种紧密的限制降低了离子冷却的要求，使研究仅通过多普勒冷却就能实现高质量的拉比振荡。此外，工作还展示了一个双量子比特门，其贝尔态保真度为 0.978 ± 0.012。借助 3D 打印技术，在不牺牲可扩展性和精度的情况下，设计自由度得到了极大拓展，从而使离子阱的几何结构能够得到优化，以实现更高的性能和更好的功能。
图文介绍
首先比较了三类典型阱：传统3DPaul阱、表面阱以及3D打印阱（图1）。传统3D阱具有较大阱深和近谐性势阱（图1a），但体积大、难以扩展；表面阱（图1b）易于大规模集成，却牺牲了阱深与频率；3D打印阱（图1c）则兼具高阱深、高频率与可扩展性。进一步的数值模拟表明，在相同电极间距、驱动频率与射频电压下，3D打印阱的赝势更接近谐振形态且阱深显著优于表面阱（图2a）。在稳定性参数q保持恒定的情况下，3D阱的捕获频率约为表面阱的两倍；在相同驱动频率下，频率甚至可提高五倍（图2b）。更高的频率有助于减小加热、提升操作速度并降低冷却复杂度。同时，3D阱在维持相同性能的条件下功耗可降低约一个数量级。其谐性势阱还能有效抑制电介质充电引起的频率漂移。
图1. 保罗陷阱变体的比较
图2. 3D 陷阱与表面陷阱的性能比较
利用Nanoscribe双光子光刻系统制造微型线性Paul阱（图3）。工艺流程包括：先在光刻胶中打印3D聚合物结构，再通过电子束蒸发沉积1 μm厚的Au或Al金属层实现导电。电极间通过设计下切（undercut）结构保证电隔离，并在布线部分采用“T”型截面及悬垂侧壁提高绝缘可靠性（图3d、3e）。该工艺无需掩膜，可在1–2天内完成从设计到器件的快速迭代。研究中制备了两类典型阱：3D-100-Au-V（电极间距200 μm，离子–电极距离100 μm，金涂层）和3D-75-Al-V（离子–电极距离75 μm，铝涂层），均在蓝宝石衬底上集成了直流电极阵列（图3f）。
图3. 3D 打印过程和 3D 打印陷阱（3D-100-Au-V）的 SEM 图像
在3D-100-Au-V阱中，射频驱动频率为ωrf/2π = 51.6 MHz，径向捕获频率ωr/2π在2.09–24.15 MHz之间可调（图4）。最高频率下稳定性参数q = 0.903，接近理论极限0.911。研究团队通过激光光谱测量平均声子数n，结果表明不同径向频率下的冷却温度与多普勒冷却理论极限符合良好（图5a）。在ωr/2π = 21.29 MHz时，得到n ≈ 0.5（图5b）。在此条件下，单比特Rabi振荡对比度在首次振荡时为0.994₋₀.₀₁₀⁺₀.₀₀₆，第11次振荡仍保持0.993₋₀.₀₃₁⁺₀.₀₀₇，对应π脉冲误差率≲10⁻⁴（图5c）。这表明3D打印阱可在无需复杂边带冷却的条件下实现高质量量子操作。
图4. 径向陷阱频率扫描
在3D-75-Al-V阱中，研究实现了基于Mølmer–Sørensen相互作用的两比特门，轴向COM模频率为ωa/2π = 3 MHz，门时长100 μs。实验得到的贝尔态保真度为0.978 ± 0.012（图5d），误差主要来源于自旋相干性限制，而非加热效应。此外，实验表明在超高真空（约4 × 10⁻¹¹ Torr）下，Ca⁺离子晶格能够稳定存储数小时，并保持周期性交换位置，显示出良好的长期稳定性。
图5. 冷却和浇口操作
3D打印离子阱的重复性测试表明，200个相同设计的中央区域在平面和高度方向上的尺寸变异仅约2.2%，主要由测量误差导致（图6a–c）。其金属涂层表面粗糙度平均值仅6.5 nm，优于同片蓝宝石基底的对照组（图6d）。为提升产率与缩短时间，研究提出混合工艺：在微加工硅片上预制直流电极与布线，再打印射频电极（图6e）。这样打印时间从14小时缩减至30分钟，良率也得到显著提升。3D打印还能实现极端设计，如减少离子邻近表面积的网格化电极（图6f）或平行于衬底的水平阱（图6g），为探索电场噪声机理及新型体系提供可能。
相比传统宏观3D阱和表面阱，3D打印阱的捕获频率提高约四倍，意味着离子晶格分裂、合并和搬运的速度大幅提升。高频率还能降低冷却需求，使仅依靠多普勒冷却即可将门误差压至10⁻⁵以下，这将极大加快基于量子电荷耦合器件（QCCD）架构的量子计算机运行效率。
此外，该技术在规模化方面显示出优势：理论上每平方厘米可实现超过1000个阱区阵列（图6h），并可与集成光子电路耦合，实现大规模光控。除了量子信息处理，3D打印微阱还可能在空间质谱、精密计量与光学原子钟中应用，提升信噪比和稳定性；其谐性势阱也为利用囚禁电子开展高速量子信息处理提供了关键条件。
图6. 展望
总之，提出并验证了一种基于双光子聚合3D打印的微型化Paul阱技术。该方法结合了高频率、深谐振势阱与芯片级可扩展性，展现了对量子计算、精密测量及光学钟等领域的巨大潜力。随着3D打印分辨率与速度的持续提升，这一平台有望进一步拓展几何设计自由度，并与光子学、微电子工艺深度融合，从而加速下一代量子信息处理与精密科学设备的发展。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09474-1
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