遗传算法实现了声子晶体的精确设计

量子计算机的出现有望通过比经典计算机更快地以指数级速度解决复杂问题，从而彻底改变计算。然而，今天的量子计算机面临着诸如保持稳定性和传输量子信息等挑战

声子是周期晶格中的量子化振动，通过增强量子位相互作用和提供更可靠的信息转换，提供了改进这些系统的新方法。声子还促进了量子计算机内更好的通信，使它们能够在网络中互连。

纳米声子材料是具有特定声子特性的人工纳米结构，对下一代量子网络和通信设备至关重要。然而，在纳米和微米尺度上设计具有所需振动特性的声子晶体仍然具有挑战性

在最近发表在《ACS Nano》杂志上的一项研究中，东京大学工业科学研究所的研究人员通过实验证明了一种新的遗传算法，用于声子晶体纳米结构的自动逆向设计，该算法可以根据所需特性输出结构，从而控制材料中的声波

该研究的主要作者Michele Diego解释道：“人工智能和逆向设计的最新进展为寻找具有独特特性的不规则结构提供了可能性。”

遗传算法使用模拟来迭代评估所提出的解决方案，并将其特征或“基因”传递给下一代。用这种新方法设计和制造的样品器件通过光散射实验进行了测试，以确定这种方法的有效性

该团队能够测量二维声子“亚晶体”的振动，该晶体具有较小设计单元的周期性排列。他们表明，该设备允许沿一个轴振动，但不允许沿垂直方向振动，因此可以用于声聚焦或波导

资深作者Masahiro Nomura表示：“通过扩大对具有超出正常人类直觉的复杂形状的优化结构的搜索，可以快速自动地设计出对声波传播特性具有精确控制的设备。”。这种方法有望应用于量子计算机、智能手机和其他设备中使用的表面声波设备 More information: Tailoring Phonon Dispersion of Genetically Designed Nanophononic Metasurface, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c01954

Journal information: ACS Nano