Des cristaux photoniques conçus à l’aide d’un algorithme génétique

Le potentiel des ordinateurs quantiques pour résoudre rapidement des problèmes complexes suscite un intérêt croissant. Cependant, des obstacles techniques freinent encore leur plein développement. Une approche innovante basée sur l’étude des phonons et l’utilisation de matériaux nanophononiques émerge comme une solution potentielle pour surmonter ces difficultés et faire progresser l’informatique quantique.

Les ordinateurs quantiques sont conçus pour surpasser les performances des ordinateurs classiques dans certains domaines spécifiques. Néanmoins, leur développement se heurte à des difficultés majeures, notamment en termes de stabilité et de transport de l’information quantique.

Les phonons, qui représentent les vibrations quantifiées dans les réseaux périodiques, offrent de nouvelles perspectives pour améliorer ces systèmes. Leur utilisation permet d’optimiser les interactions entre qubits et d’assurer une conversion plus fiable de l’information. De plus, les phonons facilitent la communication au sein des ordinateurs quantiques, ouvrant la voie à leur interconnexion en réseau.

Les matériaux nanophononiques, structures artificielles nanométriques aux propriétés phononiques spécifiques, joueront un rôle essentiel dans le développement des dispositifs de communication et de réseautage quantique de prochaine génération. Toutefois, la conception de cristaux phononiques présentant les caractéristiques vibratoires souhaitées à l’échelle micro et nanométrique demeure un défi de taille.

Une étude apporte une contribution significative à ce domaine. Des chercheurs de l’Institut des Sciences Industrielles de l’Université de Tokyo ont démontré expérimentalement l’efficacité d’un nouvel algorithme génétique pour la conception inverse automatique de nanostructures de cristaux phononiques.

Michele Diego, auteur principal de l’étude, explique : «Les progrès récents en intelligence artificielle et en conception inverse offrent la possibilité de rechercher des structures irrégulières présentant des propriétés uniques.»

Les algorithmes génétiques utilisent des simulations pour évaluer itérativement les solutions proposées. Les meilleures solutions transmettent leurs caractéristiques, ou «gènes», à la génération suivante. L’efficacité de cette approche a été validée par des expériences de diffusion de la lumière sur des échantillons de dispositifs conçus et fabriqués selon cette nouvelle méthode.

L’équipe de recherche est parvenue à mesurer les vibrations sur un «métacristal» phononique bidimensionnel, composé d’un arrangement périodique d’unités plus petites spécifiquement conçues. Les résultats ont démontré que le dispositif permettait les vibrations le long d’un axe, mais les bloquait dans la direction perpendiculaire, ouvrant ainsi des perspectives pour la focalisation acoustique ou la création de guides d’ondes.

Masahiro Nomura, auteur senior de l’étude, souligne l’importance de cette approche : «En élargissant la recherche de structures optimisées avec des formes complexes au-delà de l’intuition humaine normale, il devient possible de concevoir rapidement et automatiquement des dispositifs permettant un contrôle précis des propriétés de propagation des ondes acoustiques.»

Cette méthodologie devrait trouver des applications dans le développement de dispositifs à ondes acoustiques de surface, utilisés dans les ordinateurs quantiques, les smartphones et d’autres appareils électroniques. Les implications de cette avancée sont considérables pour l’industrie électronique et le futur de l’informatique quantique.

Des chercheurs de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo mettent en œuvre un algorithme génétique pour concevoir automatiquement des cristaux phononiques dotés des propriétés vibratoires souhaitées, ce qui pourrait contribuer à l’élaboration de futurs dispositifs informatiques et de communication. (Crédit : Institut des sciences industrielles, Université de Tokyo)

Article : « Tailoring Phonon Dispersion of a Genetically Designed Nanophononic Metasurface » – 10.1021/acsnano.4c01954