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Um novo algoritmo genético permite o design preciso de nanoestruturas de cristal fonônico para computação quântica e comunicação aprimoradas, conforme confirmado por validação experimental, facilitando o controle preciso de ondas acústicas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores desenvolveram um algoritmo genético para projetar nanoestruturas de cristais fonônicos, avançando significativamente Computação quântica e comunicações.
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
Em um estudo publicado em 3 de julho na revista ACS Nanopesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio provaram experimentalmente um novo algoritmo genético para o projeto inverso automático — que produz uma estrutura baseada nas propriedades desejadas — de nanoestruturas de cristais fonônicos que permite o controle de ondas acústicas no material.
“Avanços recentes em inteligência artificial e o design inverso oferecem a possibilidade de buscar estruturas irregulares que apresentem propriedades únicas”, explica a autora principal do estudo, Michele Diego.
Algoritmos genéticos usam simulações para avaliar iterativamente soluções propostas, com os melhores passando suas características, ou “genes”, para a próxima geração. Dispositivos de amostra projetados e fabricados com esse novo método foram testados com experimentos de espalhamento de luz para estabelecer a eficácia dessa abordagem.
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