Искусственный интеллект научился определять свойства любых молекул, решая уравнение Шредингера — Naked Science
6 минут
Василий Парфенов
9

Искусственный интеллект научился определять свойства любых молекул, решая уравнение Шредингера

8.0

Прорывной алгоритм может в разумные сроки и не привлекая суперкомпьютеры решать уравнение Шредингера для произвольных молекул. Это позволяет без трудоемких и затратных натурных экспериментов с большой вероятностью определять основные свойства вещества.

Искусственный интеллект научился определять свойства любых молекул решая уравнение Шредингера
Пример определения свойств молекулы циклобутадиена разными методами. PauliNet сравнивается с двумя вариантами связанных кластеров (MR-CC и CCSD), а также с экспериментальными данными / ©Hermann, J., Schätzle, Z. & Noé, F. Deep-neural-network solution of the electronic Schrödinger equation. Nat. Chem. 12, 891–897 (2020). https://doi.org/10.1038/s41557-020-0544-y

Разработку представили немецкие ученые из Свободного университета Берлина (Freie Universität Berlin). Особенности разработки и обучения глубинной нейронной сети PauliNet они описали в статье, которая была опубликована в рецензируемом журнале Nature Chemistry. Поскольку материал доступен только по подписке, его основные тезисы также можно изучить в препринте, размещенном на портале arXiv годом ранее. С тех пор научная работа была существенно дополнена, в том числе практическими результатами, но общее представление о технологии дает и предварительная публикация.

Алгоритм PauliNet получил свое название в честь принципа Паули — одного из фундаментальных правил квантовой механики. Согласно этому принципу, два и более электрона в атомах не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях. То есть при обмене электронами их волновая функция меняет знак. Эта антисимметрия, а также ряд других постулатов квантовой физики были «зашиты» в глубинную нейросеть (Deep neural network) сразу. А вот обучали ее уже другим свойствам элементарных частиц — в частности, сложным закономерностям распределения электронов по оболочкам вокруг ядер атомов.

На основе этих данных нейросеть научилась исследовать произвольные молекулы квантовыми методами Монте-Карло. Они подразумевают решение уравнений Шредингера для большого количества частиц. Основная сложность при выполнении таких задач — необходимость больших вычислительных мощностей для определения многочастичной волновой функции. Обычно используют более простые методы, например Теорию функционала плотности (DFT) или связанные кластеры (CC).

Однако такие упрощения создают ряд ограничений и для многих соединений все равно оказываются практически бесполезными. В результате физикам и химикам приходится постоянно искать компромиссы: или низкая точность, но относительно быстрые расчеты, либо высокая точность, но при этом нужно искать, на каком «железе» все это можно обсчитать. А в большинстве случаев выбора особого нет: сложные молекулы не по зубам даже современным суперкомпьютерам и системам распределенных вычислений.

А нейросети PauliNet удалось создать свою методику вычисления волновых функций. Этот алгоритм за вполне разумные сроки способен решать уравнения Шредингера для практически любых молекул.

В приведенных примерах авторы этого искусственного интеллекта определяли свойства ряда соединений за считаные десятки часов работы обычных графических карт персональных компьютеров. Таким образом немецкие ученые нашли новый и чрезвычайно эффективный способ вычисления основного состояния произвольных молекул.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
6 часов назад
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

22 января
4 минуты
Ольга Иванова

Особенно это касается витаминов D и A, а также холестерина и незаменимых аминокислот. Все эти показатели у детей, которых кормили в соответствии с веганским меню, оказались значительно ниже, чем у малышей, придерживавшихся обычной диеты.

22 января
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

6 часов назад
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

22 января
4 минуты
Ольга Иванова

Особенно это касается витаминов D и A, а также холестерина и незаменимых аминокислот. Все эти показатели у детей, которых кормили в соответствии с веганским меню, оказались значительно ниже, чем у малышей, придерживавшихся обычной диеты.

22 января
52 минуты
Александр Березин

Решение Совета по космосу РАН повременить с созданием сверхтяжелой ракеты для полетов на Луну звучит странно. Куда откладывать лунную ракету, когда в США средство полета туда отправится в космос уже в 2022 году? Если присмотреться к ситуации внимательно, все еще хуже. Starship — не просто ракета для полетов к Луне и Марсу, а технологическое решение, которое навсегда перевернет военно-политический баланс на Земле. Попробуем разобраться, откуда у «Роскосмоса» такое нежелание посылать людей в дальний космос и как прорывной проект Илона Маска может оказаться дорогой к настоящей Звезде Смерти.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

9 Комментариев
Денис Леонтьев
3 недели назад
-
0
+
Это, конечно, крутая новость, но индекс важности – 8? Если разбрасываетесь такими цифрами, то может будете объяснять что именно оно изменит в нашей жизни?
    Семен Курсаков
    3 недели назад
    -
    0
    +
    Квантовый уровень постоянно работает именно в вашей жизни. Копирование ДНК идет внутре вас именно на квантовом уровне, и уравнения Шредингера работают там же.
    +
      ещё комментарии
      Денис Леонтьев
      3 недели назад
      -
      0
      +
      Так, хорошо. У них в описании рейтинга важности – 9 это появление лекарства от рака. Я понимаю, что оно поменяет. Но вот эта новость о чем? Что именно поменяет главная технология в настоящий момент или недалёком будущем?
        Толстый Кот
        2 недели назад
        -
        0
        +
        Если учесть, что даже теория функционала плотности, которая позволяет рассчитывать системы из пары-тройки сотен атомов с сумасшедшей точностью, совершила революцию в квантовой химии и физике и позволила человечеству узнать такое, о чём оно ещё в 60-е даже мечтать не могло, то технология, которая позволит с такой же точностью считать десятки и сотни тысяч атомов, поменяет всё ещё больше. Что поменяет? Например, позволит разработать, например, катализаторы химических процессов, новые материалы с заданными свойствами, можно будет рассчитать биохимические реакции, в том числе и для предсказания эффектов лекарств. И многое другое. Это и сейчас делается вовсю, но ограничения на число атомов изрядно тормозят процесс... Впрочем, не прочитав исходную статью, я не берусь, насколько описанный метод точен и насколько он универсален. Как он соотносится по скорости счёта и точности с другими методами, которые сейчас используются для расчёта больших систем: DFT-B, QM/MM и проч.
          Денис Леонтьев
          2 недели назад
          -
          0
          +
          Спасибо за разъяснения, жаль что это не было написано в самой статье
        Max Savushkin
        3 недели назад
        -
        0
        +
        Ну, может, способность определять за разумное время свойства многих соединений поможет находить лекарства от рака?
          Семен Курсаков
          3 недели назад
          -
          0
          +
          Поможет, голубчик, еще как поможет. У Фейнмана в его лекциях написано примерно следующее - дайте мне скорости и координаты всех молекул во Вселенной, и я предскажу Вам будущее.
            Max Savushkin
            3 недели назад
            -
            0
            +
            Я помню, пару лет назад на научно-популярной лекции про квантовую теорию, лектор замечал, что на данный момент мы можем точно решать квантовые волновые уравнения только для достаточно простых систем, вроде атома водорода. Для остальных у нас дури не хватает. И каждый шаг на этом путь я, собственно, приветствую
              Толстый Кот
              2 недели назад
              -
              0
              +
              А без точного решения можно и обойтись. С помощью теории функционала плотности (ТФП, она же DFT) можно приближённо обсчитывать системы из нескольких сотен атомов. Но эта "приближённость" такая, что даже знай мы точное решение - мы не смогли бы в эксперименте отличить его от приближённого.
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: