Sains yang Tepat: Bagaimana Kristal Fononik Membentuk Komputasi Kuantum

Para peneliti telah mengembangkan algoritma genetik untuk merancang nanostruktur kristal fononik, yang secara signifikan memajukan komputasi kuantum dan komunikasi.

Metode baru ini, yang divalidasi melalui eksperimen, memungkinkan pengendalian yang tepat terhadap perambatan gelombang akustik, menjanjikan peningkatan pada perangkat seperti telepon pintar dan komputer kuantum.

Revolusi Komputasi Kuantum

Munculnya komputer kuantum menjanjikan revolusi komputasi dengan memecahkan masalah kompleks secara eksponensial lebih cepat daripada komputer klasik. Namun, komputer kuantum saat ini menghadapi tantangan seperti menjaga stabilitas dan mengangkut informasi kuantum.

Fonon, yang merupakan getaran terkuantisasi dalam kisi periodik, menawarkan cara baru untuk meningkatkan sistem ini dengan meningkatkan interaksi qubit dan menyediakan konversi informasi yang lebih andal. Fonon juga memfasilitasi konversi informasi yang lebih baik. komunikasi dalam komputer kuantum, yang memungkinkan interkoneksinya dalam suatu jaringan.

Bahan nanofononik, yang merupakan nanostruktur buatan dengan sifat fononik tertentu, akan sangat penting untuk jaringan kuantum dan perangkat komunikasi generasi berikutnya. Namun, merancang kristal fononik dengan karakteristik getaran yang diinginkan pada skala nano dan mikro masih menjadi tantangan.

Para peneliti di Institut Ilmu Industri, Universitas Tokyo menerapkan algoritma genetik untuk secara otomatis merancang kristal fononik dengan sifat getaran yang diinginkan, yang dapat membantu komputer dan perangkat komunikasi masa depan. Kredit: Institut Ilmu Industri, Universitas Tokyo

Bahan Fononik Tingkat Lanjut

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada tanggal 3 Juli di jurnal ACS Nanopara peneliti dari Institut Sains Industri, Universitas Tokyo secara eksperimental membuktikan algoritma genetik baru untuk desain invers otomatis—yang menghasilkan struktur berdasarkan sifat yang diinginkan—dari nanostruktur kristal fononik yang memungkinkan pengendalian gelombang akustik dalam materials.

“Kemajuan terkini dalam kecerdasan buatan dan desain terbalik menawarkan kemungkinan untuk mencari struktur tidak teratur yang menunjukkan sifat unik,” jelas penulis utama studi tersebut, Michele Diego.

Algoritma genetik menggunakan simulasi untuk menilai solusi yang diajukan secara berulang, dengan yang terbaik mewariskan karakteristik, atau 'gen', ke generasi berikutnya. Perangkat sampel yang dirancang dan dibuat dengan metode baru ini diuji dengan eksperimen hamburan cahaya untuk menetapkan efektivitas pendekatan ini.

Merancang Perangkat Masa Depan

Tim tersebut berhasil mengukur getaran pada 'metakristal' fononik dua dimensi, yang memiliki susunan periodik unit-unit yang dirancang lebih kecil. Mereka menunjukkan bahwa perangkat tersebut memungkinkan getaran sepanjang satu sumbu, tetapi tidak sepanjang arah tegak lurus, dan dengan demikian dapat digunakan untuk pemfokusan akustik atau pemandu gelombang.

“Dengan memperluas pencarian struktur yang dioptimalkan dengan bentuk kompleks yang melampaui intuisi manusia regular, menjadi mungkin untuk merancang perangkat dengan kontrol yang tepat terhadap sifat perambatan gelombang akustik dengan cepat dan otomatis,” kata penulis senior, Masahiro Nomura.

Pendekatan ini diharapkan dapat diterapkan pada perangkat gelombang akustik permukaan yang digunakan dalam komputer kuantum, telepon pintar, dan perangkat lainnya.

Referensi: “Menyesuaikan Dispersi Fonon pada Metasurface Nanofononik yang Dirancang Secara Genetik” oleh Michele Diego, Matteo Pirro, Byunggi Kim, Roman Anufriev dan Masahiro Nomura, 3 Juli 2024, ACS Nano.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1021/acsnano.4c01954