Gjennombrudd rapportert innen maskinlæring-forbedret kvantekjemi

I en ny studie, publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences, har forskere fra Los Alamos National Laboratory foreslått å inkorporere mer av matematikken til kvantemekanikk i strukturen til maskinlæringsprediksjonene. Ved å bruke de spesifikke posisjonene til atomer i et molekyl, forutsier maskinlæringsmodellen en effektiv Hamilton-matrise, som beskriver de forskjellige mulige elektroniske tilstandene sammen med deres tilknyttede energier.

Sammenlignet med tradisjonelle kvantekjemi simuleringer, den maskinlæring-basert tilnærming gir spådommer til en mye redusert beregningskostnad. Det muliggjør kvantitativt presise spådommer vedr materialegenskaper, gir tolkbar innsikt i naturen til kjemisk binding mellom atomer, og kan brukes til å forutsi andre komplekse fenomener, for eksempel hvordan systemet vil reagere på forstyrrelser, som lys-materie-interaksjoner. Metoden gir også sterkt forbedret nøyaktighet i forhold til tradisjonelle maskinlæringsmodeller, og demonstrerer suksess i overførbarhet, dvs. modellens evne til å lage spådommer som går langt utover dataene som dannet grunnlaget for opplæringen.

Kvantemekanikkens ligninger gir et veikart for å forutsi egenskapene til kjemikalier med utgangspunkt i grunnleggende vitenskapelige teorier. Disse ligningene kan imidlertid fort bli for dyre med tanke på datatid og kraft når de brukes til å forutsi atferd i store systemer. Maskinlæring tilbyr en lovende tilnærming til å akselerere slike storskala simuleringer. Bruken av maskinlæring for å forutsi kjemiske egenskaper har potensialet for store teknologiske fremskritt, med applikasjoner fra renere energi til raskere farmasøytisk medikamentdesign. Dette er et svært aktivt forskningsområde, men de fleste eksisterende tilnærminger bruker enkle og heuristiske tilnærminger til utformingen av maskinlæringsmodellene.

I sin studie har forskerne vist at maskinlæringsmodeller kan etterligne den grunnleggende strukturen til de grunnleggende naturlovene. Disse lovene kan være svært vanskelige å simulere direkte. Maskinlæringstilnærmingen muliggjør forutsigelser som er enkle å beregne og er nøyaktige i et bredt spekter av kjemiske systemer.

Den forbedrede maskinlæringsmodellen kan raskt og nøyaktig forutsi et bredt spekter av egenskaper til molekyler. Disse tilnærmingene scorer veldig godt på viktige referanser i beregningsbasert kjemi og vise hvordan dyplæringsmetoder kan fortsette å forbedres ved å inkludere flere data fra eksperimenter. Modellen kan også lykkes med utfordrende oppgaver som å forutsi eksiterte tilstandsdynamikk – hvordan systemer oppfører seg med forhøyede energinivåer. Dette verktøyet er en banebrytende evne for kvantekjemi. Det vil tillate forskere å bedre forstå reaktiviteten og eksiterte tilstander til nye molekyler.

---

---