Kecerdasan buatan memecahkan persamaan Schrödinger, masalah fundamental dalam kimia kuantum

Ilmuwan di Freie Universität Berlin sedang mengembangkan metode pembelajaran mendalam untuk memecahkan masalah mendasar dalam kimia kuantum.

Sebuah tim ilmuwan dari Freie Universität Berlin telah mengembangkan metode kecerdasan buatan (AI) untuk menghitung keadaan fundamental persamaan Schrödinger dalam kimia kuantum. Tujuan dari kimia kuantum adalah untuk memprediksi sifat kimia dan fisik molekul hanya berdasarkan susunan atomnya di ruang angkasa, menghindari kebutuhan untuk eksperimen laboratorium yang membutuhkan banyak sumber daya dan membutuhkan banyak waktu. Pada prinsipnya, ini dapat dicapai dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger, tetapi dalam praktiknya hal ini sangat sulit.

Hingga saat ini, tidak mungkin menemukan solusi yang tepat untuk molekul sembarang yang dapat dihitung secara efisien. Tetapi tim di Freie Universität telah mengembangkan metode pembelajaran mendalam yang dapat mencapai kombinasi yang belum pernah terjadi sebelumnya presisi dan efisiensi komputasi. AI telah mengubah banyak bidang teknologi dan ilmiah, dari visi komputer ke ilmu material. “Kami yakin pendekatan kami dapat secara signifikan memengaruhi masa depan kimia kuantum,” kata Profesor Frank Noah, yang memimpin upaya tim. Hasilnya dipublikasikan di jurnal terkenal Kimia alam.

Fungsi gelombang adalah elemen pusat kimia kuantum dan persamaan Schrödinger: objek matematika yang secara lengkap menentukan perilaku elektron suatu molekul. Fungsi gelombang adalah entitas berdimensi tinggi dan oleh karena itu sangat sulit untuk menangkap semua nuansa yang menyandikan bagaimana elektron saling mempengaruhi satu sama lain. Faktanya, banyak metode kimia kuantum melepaskan fungsi gelombang pengekspresian sama sekali, alih-alih mencoba menentukan hanya energi dari molekul tertentu. Namun, ini membutuhkan pembuatan perkiraan, yang membatasi kualitas prediksi dari metode ini.

Metode lain merepresentasikan fungsi gelombang dengan penggunaan sejumlah besar blok penyusun matematika sederhana, tetapi metode ini begitu kompleks sehingga tidak mungkin diterapkan oleh lebih dari segelintir atom. “Menghindari trade-off biasa antara akurasi dan biaya komputasi adalah pencapaian akhir dalam kimia kuantum,” jelas Dr. Jan Hermann dari Freie Universität Berlin, yang merancang fitur utama metode dalam penelitian tersebut. “Sampai sekarang, nilai paling populer dari jenis ini adalah teori fungsional kepadatan yang sangat menguntungkan. Kami percaya bahwa “Quantum Monte Carlo” yang mendalam, pendekatan yang kami usulkan, bisa sama, jika tidak lebih berhasil. Ini menawarkan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan biaya komputasi yang masih dapat diterima. “

Jaringan saraf dalam yang dirancang oleh tim Profesor Noah adalah cara baru untuk merepresentasikan fungsi gelombang elektron. “Alih-alih pendekatan standar untuk menyusun fungsi gelombang dari komponen matematika yang relatif sederhana, kami merancang jaringan saraf tiruan yang mampu mempelajari pola kompleks tentang bagaimana elektron ditempatkan di sekitar inti,” jelas Noah. . “Ciri khas dari fungsi gelombang elektronik adalah antisimetri mereka. Ketika dua elektron dipertukarkan, fungsi gelombang harus mengubah tanda. Kami harus memasukkan properti ini ke dalam arsitektur jaringan saraf untuk pendekatan untuk bekerja, “tambah Hermann. Fitur ini, yang dikenal sebagai” prinsip pengecualian Pauli, “itulah sebabnya penulis menyebut metodenya” PauliNet “.

Selain prinsip pengecualian Pauli, fungsi gelombang elektronik juga memiliki sifat fisik fundamental lainnya dan banyak dari kesuksesan inovatif PauliNet adalah ia mengintegrasikan properti ini ke dalam jaringan neural dalam, daripada membiarkan deep learning menemukannya hanya dengan melihat datanya. “Membangun fisika fundamental dalam AI sangat penting untuk kemampuan Anda membuat prediksi yang bermakna di lapangan,” kata Noah. “Di sinilah para ilmuwan benar-benar dapat memberikan kontribusi yang substansial untuk AI, dan persis apa yang menjadi fokus kelompok saya.”

Masih banyak tantangan yang harus diatasi sebelum metode Hermann dan Noah siap untuk aplikasi industri. “Ini adalah penelitian fundamental,” para penulis setuju, “tetapi ini adalah pendekatan baru untuk masalah milenial dalam ilmu molekuler dan material, dan kami sangat senang dengan kemungkinan yang dibukanya.”

Referensi: “Solusi Jaringan Neural Dalam dari Persamaan Elektronik Schrödinger” oleh Jan Hermann, Zeno Schätzle dan Frank Noé, 23 September 2020, Kimia alam.
DOI: 10.1038 / s41557-020-0544-y

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

36 galaksi kerdil secara bersamaan memiliki “baby boom” bintang baru

Penemuan tak terduga Rutgers menantang teori modern tentang bagaimana galaksi tumbuh, dan dapat meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penulis: Universitas Rutgers-New Brunswick Sungguh...

Banyak pasien dengan COVID-19 menghasilkan respons imun yang menyerang jaringan dan organ mereka sendiri.

Sebuah studi yang dipimpin oleh University of Birmingham, yang didanai oleh Konsorsium Imunologi Coronavirus Inggris, menemukan bahwa banyak pasien dengan COVID-19 menimbulkan respons kekebalan...

Sains mudah dibuat: apa itu neutrino steril?

Neutrino steril adalah jenis neutrino khusus yang telah diusulkan untuk menjelaskan beberapa hasil eksperimen yang tidak terduga, tetapi belum ditemukan secara pasti. Para...

Kekeringan jangka panjang mengambil alih AS bagian barat – Tanah dan tanaman berjatuhan

5 Juni 2021 Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda sebagian besar wilayah Amerika Serikat dari Pegunungan Rocky hingga Pantai Pasifik. Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda...

Energi matahari dan angin dapat meredakan konflik di sekitar bendungan Renaisans Ethiopia di timur laut Afrika

Megaplatinum terletak di Ethiopia, dekat perbatasan dengan Sudan. Ini adalah pembangkit listrik tenaga air terbesar di Afrika. Penulis: © Google Sebuah studi baru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.