Researchers have developed a genetic algorithm for designing phononic crystal nanostructures, significantly advancing quantum computing and communications.
O novo método, validado por meio de experimentos, permite o controle preciso da propagação de ondas acústicas, prometendo melhorias em dispositivos como smartphones e computadores quânticos.
Revolução da Computação Quântica
O advento dos computadores quânticos promete revolucionar a computação ao resolver problemas complexos exponencialmente mais rapidamente do que os computadores clássicos. No entanto, os computadores quânticos de hoje enfrentam desafios como manter a estabilidade e transportar informações quânticas.
Fônons, que são vibrações quantizadas em redes periódicas, oferecem novas maneiras de melhorar esses sistemas ao aprimorar as interações de qubits e fornecer uma conversão de informações mais confiável. Os fônons também facilitam uma melhor comunicação dentro de computadores quânticos, permitindo a interconexão deles em uma rede.
Materiais nanofonônicos, que são nanoestruturas artificiais com propriedades fonônicas específicas, serão essenciais para dispositivos de comunicação e redes quânticas de próxima geração. No entanto, projetar cristais fonônicos com características de vibração desejadas nas nano e microescalas continua desafiador.
Pesquisadores do Institute of Industrial Science, The University of Tokyo implementam um algoritmo genético para projetar automaticamente cristais fonônicos com propriedades vibracionais desejadas, o que pode ajudar com futuros dispositivos de computador e comunicação. Crédito: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
Materiais Fonônicos Avançados
In a study published on July 3 in the journal ACS Nano, researchers from the Institute of Industrial Science, The University of Tokyo experimentally proved a new genetic algorithm for the automatic inverse design—which outputs a structure based on desired properties—of phononic crystal nanostructures that allows the control of acoustic waves in the material.
“Recent advances in artificial intelligence and inverse design offer the possibility to search for irregular structures that show unique properties,” explains lead author of the study, Michele Diego.
Genetic algorithms use simulations to iteratively assess proposed solutions, with the best passing on their characteristics, or ‘genes,’ to the next generation. Sample devices designed and fabricated with this new method were tested with light scattering experiments to establish the effectiveness of this approach.
Projetando dispositivos futuros
A equipe conseguiu medir as vibrações em um ‘metacristal’ fonônico bidimensional, que tinha um arranjo periódico de unidades projetadas menores. Eles mostraram que o dispositivo permitia vibrações ao longo de um eixo, mas não ao longo de uma direção perpendicular, e pode, portanto, ser usado para focalização acústica ou guias de onda.
“Ao expandir a busca por estruturas otimizadas com formas complexas além da intuição humana normal, torna-se possível projetar dispositivos com controle preciso das propriedades de propagação de ondas acústicas de forma rápida e automática”, diz o autor sênior, Masahiro Nomura.
Espera-se que essa abordagem seja aplicada a dispositivos de ondas acústicas de superfície usados em computadores quânticos, smartphones e outros dispositivos.
Referência: “Tailoring Phonon Dispersion of a Genetically Designed Nanophononic Metasurface” por Michele Diego, Matteo Pirro, Byunggi Kim, Roman Anufriev e Masahiro Nomura, 3 de julho de 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c01954
