Genetisch algoritme maakt nauwkeurig ontwerp van fononische kristallen mogelijk

De komst van quantumcomputers belooft een revolutie in computing teweeg te brengen door complexe problemen exponentieel sneller op te lossen dan klassieke computers. De huidige quantumcomputers staan ​​echter voor uitdagingen zoals het behouden van stabiliteit en het transporteren van quantuminformatie.

Fononen, die gekwantiseerde trillingen in periodieke roosters zijn, bieden nieuwe manieren om deze systemen te verbeteren door qubitinteracties te verbeteren en betrouwbaardere informatieconversie te bieden. Fononen vergemakkelijken ook betere communicatie binnen quantumcomputers, waardoor ze in een netwerk met elkaar verbonden kunnen worden.

Nanofononische materialen, die kunstmatige nanostructuren zijn met specifieke fononische eigenschappen, zullen essentieel zijn voor kwantumnetwerken en communicatieapparaten van de volgende generatie. Het ontwerpen van fononische kristallen met gewenste vibratiekarakteristieken op nano- en microschaal blijft echter een uitdaging.

In een onlangs in het tijdschrift gepubliceerde studie ACS NanoOnderzoekers van het Institute of Industrial Science van de Universiteit van Tokio hebben experimenteel een nieuw genetisch algoritme bewezen voor het automatisch inverse ontwerp (dat een structuur oplevert op basis van gewenste eigenschappen) van nanostructuren van fononische kristallen, waarmee de controle van akoestische golven in het materiaal mogelijk is.

“Recente ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie en invers ontwerp bieden de mogelijkheid om te zoeken naar onregelmatige structuren met unieke eigenschappen”, legt hoofdauteur van de studie Michele Diego uit.

Genetische algoritmen gebruiken simulaties om voorgestelde oplossingen iteratief te beoordelen, waarbij de beste hun kenmerken, of “genen”, doorgeven aan de volgende generatie. Voorbeeldapparaten die met deze nieuwe methode zijn ontworpen en vervaardigd, werden getest met lichtverstrooiingsexperimenten om de effectiviteit van deze aanpak vast te stellen.

Het team kon de trillingen meten op een tweedimensionaal fononisch “metakristal”, dat een periodieke rangschikking van kleinere ontworpen eenheden had. Ze toonden aan dat het apparaat trillingen langs één as toeliet, maar niet langs een loodrechte richting, en het kan dus worden gebruikt voor akoestische focussering of golfgeleiders.

“Door de zoektocht naar geoptimaliseerde structuren met complexe vormen uit te breiden tot voorbij de normale menselijke intuïtie, wordt het mogelijk om apparaten te ontwerpen met nauwkeurige controle over de voortplantingseigenschappen van akoestische golven, snel en automatisch”, zegt hoofdauteur Masahiro Nomura. Deze aanpak zal naar verwachting worden toegepast op oppervlakte-akoestische golfapparaten die worden gebruikt in quantumcomputers, smartphones en andere apparaten.