Генетический алгоритм позволяет точно проектировать фононные кристаллы.

Появление квантовых компьютеров обещает произвести революцию в вычислительной технике, решая сложные проблемы в геометрической прогрессии быстрее, чем классические компьютеры. Однако сегодняшние квантовые компьютеры сталкиваются с такими проблемами, как поддержание стабильности и транспортировка квантовой информации.

Фононы, представляющие собой квантованные колебания в периодических решетках, открывают новые способы улучшения этих систем за счет улучшения взаимодействия между кубитами и обеспечения более надежного преобразования информации. Фононы также способствуют улучшению связи внутри квантовых компьютеров, позволяя им соединяться в сети.

Нанофононные материалы, представляющие собой искусственные наноструктуры с особыми фононными свойствами, будут необходимы для квантовых коммуникационных и сетевых устройств следующего поколения. Однако разработка фононных кристаллов с желаемыми колебательными характеристиками на нано- и микромасштабах остается сложной задачей.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале АСУ НаноИсследователи из Института промышленных наук Токийского университета экспериментально доказали новый генетический алгоритм для автоматического обратного проектирования, который генерирует структуру на основе желаемых свойств фононных кристаллических наноструктур, позволяющих управлять акустическими волнами в материале.

«Последние достижения в области искусственного интеллекта и обратного проектирования дают возможность искать нерегулярные структуры, обладающие уникальными свойствами», — говорит ведущий автор исследования Мишель Диего.

Генетические алгоритмы используют моделирование для итеративной оценки предлагаемых решений, при этом лучшие из них передают свои характеристики, или «гены», следующему поколению. Образцы устройств, спроектированных и изготовленных с использованием этого нового метода, были протестированы с помощью экспериментов по рассеянию света, чтобы установить эффективность этого подхода.

Команда смогла измерить вибрации двумерного фононного «метакристалла», который имел периодическое расположение более мелких единиц. Они показали, что устройство допускает колебания по одной оси, но не по перпендикулярному направлению, и поэтому может использоваться для акустической фокусировки или волноводов.

«Расширяя поиск оптимизированных структур сложной формы за пределы обычной человеческой интуиции, становится возможным быстро и автоматически создавать устройства с точным контролем свойств распространения акустических волн», — объясняет автор проекта Масахиро Номура. Ожидается, что этот подход будет применен к устройствам на поверхностных акустических волнах, используемым в квантовых компьютерах, смартфонах и других устройствах.