声音科学：声子晶体如何塑造量子计算

研究人员开发了一种用于设计声子晶体纳米结构的遗传算法，极大地推进了量子计算和通信。

通过实验验证的新方法可以精确控制声波传播，有望改善智能手机和量子计算机等设备。

量子计算革命

量子计算机的出现有望以比经典计算机更快的速度解决复杂问题，从而给计算带来革命性的变化。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。

声子是周期性晶格中的量子化振动，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的方法。声子还促进了量子计算机内部更好的通信，允许它们在网络中相互连接。

纳米声子材料是一种具有特定声子特性的人造纳米结构，将成为下一代量子网络和通信设备的关键。然而，在纳米和微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。

先进声子材料

在7月3日发表在《ACS纳米》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，用于自动逆设计，该算法可以根据所需的特性输出声子晶体纳米结构的结构，从而可以控制材料中的声波。

该研究的主要作者Michele Diego解释说：“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地评估提出的解决方案，并将其特征或“基因”传递给下一代。用该方法设计和制作的样品器件进行了光散射实验，验证了该方法的有效性。

设计未来设备

该团队能够测量二维声子“元晶体”上的振动，该晶体具有较小设计单元的周期性排列。他们表明，该装置允许沿一个轴振动，但不能沿垂直方向振动，因此它可以用于声聚焦或波导。

资深作者野村雅弘（Masahiro Nomura）说：“通过扩大对复杂形状的优化结构的搜索，超越了正常的人类直觉，我们可以快速、自动地设计出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、智能手机等设备中使用的表面声波器件。

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