Genetischer Algorithmus ermöglicht präzises Design von Phononenkristallen

Die Einführung von Quantencomputern verspricht eine Revolution in der Computertechnik, da sie komplexe Probleme exponentiell schneller lösen als klassische Computer. Allerdings stehen heutige Quantencomputer vor Herausforderungen wie der Aufrechterhaltung der Stabilität und der Übertragung von Quanteninformationen.

Phononen, quantisierte Schwingungen in periodischen Gittern, bieten neue Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Systeme, indem sie die Interaktionen der Qubits verbessern und eine zuverlässigere Informationsumwandlung ermöglichen. Phononen ermöglichen auch eine bessere Kommunikation innerhalb von Quantencomputern, indem sie deren Verbindung in einem Netzwerk ermöglichen.

Nanophononische Materialien, künstliche Nanostrukturen mit spezifischen phononischen Eigenschaften, werden für die nächste Generation von Quantennetzwerken und Kommunikationsgeräten unverzichtbar sein. Allerdings bleibt die Entwicklung phononischer Kristalle mit den gewünschten Schwingungseigenschaften im Nano- und Mikromaßstab eine Herausforderung.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie ACS NanoForscher vom Institute of Industrial Science der Universität Tokio haben einen neuen genetischen Algorithmus für das automatische inverse Design von phononischen Kristallnanostrukturen experimentell erprobt, der die Steuerung von Schallwellen im Material ermöglicht und eine Struktur basierend auf den gewünschten Eigenschaften ausgibt.

„Jüngste Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und im inversen Design bieten die Möglichkeit, nach unregelmäßigen Strukturen zu suchen, die einzigartige Eigenschaften aufweisen“, erklärt Studienleiter Michele Diego.

Genetische Algorithmen nutzen Simulationen, um vorgeschlagene Lösungen iterativ zu bewerten. Die besten Lösungen geben ihre Eigenschaften oder „Gene“ an die nächste Generation weiter. Mustergeräte, die mit dieser neuen Methode entworfen und hergestellt wurden, wurden mit Lichtstreuungsexperimenten getestet, um die Wirksamkeit dieses Ansatzes festzustellen.

Dem Team gelang es, die Schwingungen eines zweidimensionalen phononischen „Metakristalls“ zu messen, der eine periodische Anordnung kleinerer Einheiten aufwies. Sie zeigten, dass das Gerät Schwingungen entlang einer Achse zuließ, jedoch nicht in senkrechter Richtung, und es daher zur akustischen Fokussierung oder für Wellenleiter verwendet werden kann.

„Indem wir die Suche nach optimierten Strukturen mit komplexen Formen über die normale menschliche Intuition hinaus erweitern, wird es möglich, schnell und automatisch Geräte mit präziser Kontrolle der Ausbreitungseigenschaften von Schallwellen zu entwickeln“, sagt der leitende Autor Masahiro Nomura. Dieser Ansatz soll auf Oberflächenschallwellengeräte angewendet werden, die in Quantencomputern, Smartphones und anderen Geräten verwendet werden.