Генетический алгоритм позволяет точно проектировать фононные кристаллы

Появление квантовых компьютеров обещает произвести революцию в вычислениях, решая сложные задачи экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры. Однако сегодняшние квантовые компьютеры сталкиваются с такими проблемами, как поддержание стабильности и передача квантовой информации.

Фононы, которые являются квантованными колебаниями в периодических решетках, предлагают новые способы улучшения этих систем путем улучшения взаимодействия кубитов и обеспечения более надежного преобразования информации. Фононы также способствуют лучшей коммуникации внутри квантовых компьютеров, позволяя объединять их в сеть.

Нанофононные материалы, которые представляют собой искусственные наноструктуры с определенными фононными свойствами, будут иметь важное значение для квантовых сетевых и коммуникационных устройств следующего поколения. Однако проектирование фононных кристаллов с желаемыми характеристиками вибрации в нано- и микромасштабах остается сложной задачей.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале АСС НаноИсследователи из Института промышленных наук Токийского университета экспериментально доказали эффективность нового генетического алгоритма для автоматического обратного проектирования, который выводит структуру на основе желаемых свойств фононных кристаллических наноструктур, что позволяет контролировать акустические волны в материале.

«Последние достижения в области искусственного интеллекта и обратного проектирования открывают возможность поиска нерегулярных структур, обладающих уникальными свойствами», — объясняет ведущий автор исследования Мишель Диего.

Генетические алгоритмы используют симуляции для итеративной оценки предлагаемых решений, с лучшей передачей их характеристик, или «генов», следующему поколению. Образцы устройств, разработанных и изготовленных с помощью этого нового метода, были протестированы с помощью экспериментов по рассеянию света, чтобы установить эффективность этого подхода.

Команда смогла измерить вибрации на двумерном фононном «метакристалле», который имел периодическое расположение более мелких спроектированных единиц. Они показали, что устройство допускает вибрации вдоль одной оси, но не вдоль перпендикулярного направления, и поэтому его можно использовать для акустической фокусировки или волноводов.

«Расширяя поиск оптимизированных структур со сложными формами за пределами обычной человеческой интуиции, становится возможным быстро и автоматически проектировать устройства с точным контролем свойств распространения акустических волн», — говорит старший автор Масахиро Номура. Ожидается, что этот подход будет применяться к устройствам на поверхностных акустических волнах, используемым в квантовых компьютерах, смартфонах и других устройствах.