遗传算法实现声子晶体的精确设计

量子计算机的出现有望彻底改变计算方式，因为它能够以比传统计算机快得多的速度解决复杂问题。然而，当今的量子计算机面临着保持稳定性和传输量子信息等挑战。

声子是周期性晶格中的量子振动，它通过增强量子比特相互作用和提供更可靠的信息转换，为改进这些系统提供了新方法。声子还促进了量子计算机内部更好的通信，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，对于下一代量子网络和通信设备至关重要。然而，设计具有所需纳米和微米级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，东京大学工业技术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——根据所需特性输出结构，从而控制材料中的声波。

该研究的主要作者米歇尔·迭戈 (Michele Diego) 解释道：“人工智能和逆向设计的最新进展提供了寻找具有独特性质的不规则结构的可能性。”

遗传算法使用模拟来迭代评估所提出的解决方案，并将最佳方案的特征或“基因”传递给下一代。使用这种新方法设计和制造的样品设备通过光散射实验进行了测试，以确定该方法的有效性。

研究小组测量了二维声子“超晶体”的振动，这种晶体由设计较小的单元组成，呈周期性排列。他们发现，该装置允许沿一个轴振动，但不允许沿垂直方向振动，因此可用于声聚焦或波导。

资深作者 Masahiro Nomura 表示：“通过扩大对复杂形状的优化结构的搜索，超越了人类的正常直觉，我们有可能快速、自动地设计出能够精确控制声波传播特性的设备。”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。