盧森堡大學(xué)，柏林工業(yè)大學(xué)和馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)的弗里茨·哈伯研究所的研究人員將機(jī)器學(xué)習(xí)和量子力學(xué)相結(jié)合，以預(yù)測分子中的動(dòng)力學(xué)和原子相互作用。新方法可以實(shí)現(xiàn)前所未有的精度和效率。

分子動(dòng)力學(xué)模擬用于自然科學(xué)和材料科學(xué)中，以預(yù)測不同材料的特性和行為。過去，這些模擬通常基于無法集成來自量子力學(xué)的重要見解的力學(xué)模型?，F(xiàn)在發(fā)表在《自然通訊》上的這項(xiàng)工作大大提高了化學(xué)，生物學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)代原子建模的預(yù)測能力。

關(guān)于物質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)的確切知識(shí)，換句話說，對分子中單個(gè)原子的可能狀態(tài)和相互作用的精確知識(shí)，使我們不僅能夠理解許多化學(xué)和物理反應(yīng)，而且能夠利用它們。“機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)極大地改變了許多學(xué)科的工作，但是直到現(xiàn)在，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中仍很少使用它們，”柏林工業(yè)大學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)教授克勞斯-羅伯特·穆勒說。問題：開發(fā)大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)算法時(shí)都應(yīng)理解要處理的數(shù)據(jù)量無關(guān)緊要。“但是，這不適用于分子的精確量子力學(xué)計(jì)算，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是至關(guān)重要的，對大分子的單獨(dú)計(jì)算可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間。為此需要大量的計(jì)算資源，這意味著迄今為止尚無法進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。”盧森堡大學(xué)理論化學(xué)物理教授亞歷山大·特卡切堅(jiān)科解釋說。

正是通過將物理定律集成到機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中，研究人員現(xiàn)在解決了這個(gè)問題。“訣竅在于不使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)的所有可能的可能狀態(tài)，而是僅計(jì)算那些不是由已知物理定律或?qū)ΨQ操作的應(yīng)用所產(chǎn)生的狀態(tài)。”亞歷山大·特卡切堅(jiān)科教授解釋說。

一方面，新開發(fā)的算法使用分子內(nèi)的自然數(shù)學(xué)對稱性。他們認(rèn)識(shí)到的是對稱軸，它們不會(huì)改變分子的物理特性。結(jié)果，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)只需要計(jì)算一次，而不是幾次，這大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性。另外，學(xué)習(xí)技術(shù)利用能量守恒的物理定律。

通過這種創(chuàng)新的方法，允許機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在學(xué)習(xí)計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)之前先“結(jié)合”物理定律，研究團(tuán)隊(duì)成功地調(diào)和了高精度和數(shù)據(jù)效率這兩個(gè)相互矛盾的方面。“這些特殊算法使過程可以專注于模擬的復(fù)雜問題，而不是利用計(jì)算機(jī)性能來重建數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的瑣碎關(guān)系。因此，這項(xiàng)研究證明了將人工智能與化學(xué)或其他自然科學(xué)相結(jié)合的巨大潛力“，克勞斯·羅伯特·穆勒(Klaus-RobertMüller)解釋了該項(xiàng)目的重要性。