麻省理工Nature子刊:AI加速量子化学计算,精度媲美「金标准」,计算效率提升百万倍!
本篇文章给大家分享《麻省理工Nature子刊:AI加速量子化学计算,精度媲美「金标准」,计算效率提升百万倍!》,覆盖了科技周边的常见基础知识,其实一个语言的全部知识点一篇文章是不可能说完的,但希望通过这些问题,让读者对自己的掌握程度有一定的认识(B 数),从而弥补自己的不足,更好的掌握它。
编辑 | 2049
精确预测分子电子结构是量子化学计算领域的一大挑战。传统的密度泛函理论 (DFT) 方法计算速度快,但精度有限;而高精度耦合簇 (CCSD(T)) 方法虽然是公认的“金标准”,但其计算成本随分子大小指数增长,难以用于复杂体系。麻省理工学院的研究团队近期取得突破,开发出一种创新的多任务学习方法,将机器学习与量子化学计算相结合,实现了接近 CCSD(T) 精度的分子电子结构预测。这项研究成果已于 2024 年 12 月 27 日发表在《Nature Computational Science》期刊上,题为“Approaching coupled-cluster accuracy for molecular electronic structures with multi-task learning”。
研究背景与挑战
密度泛函理论是目前预测分子电子结构的主流方法,但作为一种平均场理论,其系统误差通常远大于化学精度 (1 kcal/mol)。近年来,机器学习被用于提高 DFT 精度,但由于这些模型基于 DFT 数据训练,精度始终受限于 DFT 本身的理论极限。 另一方面,CCSD(T) 方法精度极高,但其计算复杂度随电子数呈 N⁷ 级增长,仅适用于包含数百个电子的小型分子体系。 该研究团队另辟蹊径,尝试将机器学习与 CCSD(T) 方法结合,以期突破这一瓶颈。
MEHnet:基于物理洞察的深度学习框架
研究团队开发的多任务电子哈密顿网络 (MEHnet) 巧妙地结合了物理学原理和深度学习技术。 该方法首先利用 DFT 获得初始的平均场哈密顿量,作为快速但精度较低的起点。随后,神经网络预测非局域交换关联修正项,该修正项能够捕捉电子间的量子关联效应,最终得到接近 CCSD(T) 精度的有效单粒子哈密顿量。
MEHnet 的核心创新在于其多任务学习策略。不同于只预测分子能量,MEHnet 同时预测多个物理量,包括偶极矩、四极矩、原子电荷和键级等。这些物理量源于同一个电子结构表示,多任务学习能够提升模型的泛化能力。 在技术实现上,MEHnet 采用了 E3-等变神经网络框架,确保预测结果满足物理系统的旋转不变性。
图 1 展示了 MEHnet 的计算流程,包括输入层(将原子构型编码为图结构)、卷积层(利用 E3-等变神经网络提取特征)和输出层(产生多个量子化学性质的预测值)。
图 1:MEHnet 计算流程示意图。(来源:论文)
性能评估与实验结果
研究团队在碳氢化合物数据集上对 MEHnet 进行了全面评估,评估维度包括:训练集大小(从 10 到 7,440 个原子构型)对模型学习效率和泛化能力的影响;与主流 DFT 方法和机器学习模型的性能对比。评估指标包括能量预测误差、偶极矩、四极矩、原子电荷等物理量的均方根误差。
实验结果显示,MEHnet 在计算效率和预测精度方面均取得显著突破。图 2 显示,MEHnet 的计算成本随分子大小近似线性增长 (~N¹),而 CCSD(T) 方法理论上渐近标度为 N⁷,计算效率提升约百万倍。 在预测精度方面,MEHnet 能量预测误差约为 0.1 kcal/mol 每原子,接近化学精度;其他物理量的预测也普遍优于 B3LYP 等常用混合泛函方法。
图 2:测试数据集上的模型性能基准。(来源:论文)
总结
MEHnet 以 CCSD(T) 级别的精度预测分子电子结构,同时保持 DFT 级别的计算效率,这主要归功于其多任务学习和 E3-等变神经网络的结合。 这项研究不仅解决了量子化学计算中的关键瓶颈,也为未来的跨学科研究提供了新的思路和方法。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s43588-024-00747-9
本篇关于《麻省理工Nature子刊:AI加速量子化学计算,精度媲美「金标准」,计算效率提升百万倍!》的介绍就到此结束啦,但是学无止境,想要了解学习更多关于科技周边的相关知识,请关注golang学习网公众号!

- 上一篇
- 我的第一次前端挑战:十二月版

- 下一篇
- Win10蓝牙开关不见了怎么办
-
- 科技周边 · 人工智能 | 1分钟前 |
- 5个技巧提升AI生成Solidity代码安全性
- 158浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 21分钟前 |
- 小鹏P7豪华轿跑首秀,8月6日中国震撼登场
- 334浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 43分钟前 |
- Deepseek满血版联手Synthesia定制企业视频
- 128浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 44分钟前 |
- AI创意工具搭配豆包使用教程
- 172浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 49分钟前 |
- 豆包AI发音工具,轻松练出标准口语
- 277浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 1小时前 |
- ChatGPT多轮对话记忆原理详解
- 399浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 1小时前 |
- 豆包AI助你快速实现AES加密代码教程
- 403浏览 收藏
-
- 科技周边 · 人工智能 | 1小时前 |
- AI证件照生成趋势与未来展望
- 143浏览 收藏
-
- 前端进阶之JavaScript设计模式
- 设计模式是开发人员在软件开发过程中面临一般问题时的解决方案,代表了最佳的实践。本课程的主打内容包括JS常见设计模式以及具体应用场景,打造一站式知识长龙服务,适合有JS基础的同学学习。
- 542次学习
-
- GO语言核心编程课程
- 本课程采用真实案例,全面具体可落地,从理论到实践,一步一步将GO核心编程技术、编程思想、底层实现融会贯通,使学习者贴近时代脉搏,做IT互联网时代的弄潮儿。
- 511次学习
-
- 简单聊聊mysql8与网络通信
- 如有问题加微信:Le-studyg;在课程中,我们将首先介绍MySQL8的新特性,包括性能优化、安全增强、新数据类型等,帮助学生快速熟悉MySQL8的最新功能。接着,我们将深入解析MySQL的网络通信机制,包括协议、连接管理、数据传输等,让
- 498次学习
-
- JavaScript正则表达式基础与实战
- 在任何一门编程语言中,正则表达式,都是一项重要的知识,它提供了高效的字符串匹配与捕获机制,可以极大的简化程序设计。
- 487次学习
-
- 从零制作响应式网站—Grid布局
- 本系列教程将展示从零制作一个假想的网络科技公司官网,分为导航,轮播,关于我们,成功案例,服务流程,团队介绍,数据部分,公司动态,底部信息等内容区块。网站整体采用CSSGrid布局,支持响应式,有流畅过渡和展现动画。
- 484次学习
-
- 千音漫语
- 千音漫语,北京熠声科技倾力打造的智能声音创作助手,提供AI配音、音视频翻译、语音识别、声音克隆等强大功能,助力有声书制作、视频创作、教育培训等领域,官网:https://qianyin123.com
- 165次使用
-
- MiniWork
- MiniWork是一款智能高效的AI工具平台,专为提升工作与学习效率而设计。整合文本处理、图像生成、营销策划及运营管理等多元AI工具,提供精准智能解决方案,让复杂工作简单高效。
- 161次使用
-
- NoCode
- NoCode (nocode.cn)是领先的无代码开发平台,通过拖放、AI对话等简单操作,助您快速创建各类应用、网站与管理系统。无需编程知识,轻松实现个人生活、商业经营、企业管理多场景需求,大幅降低开发门槛,高效低成本。
- 168次使用
-
- 达医智影
- 达医智影,阿里巴巴达摩院医疗AI创新力作。全球率先利用平扫CT实现“一扫多筛”,仅一次CT扫描即可高效识别多种癌症、急症及慢病,为疾病早期发现提供智能、精准的AI影像早筛解决方案。
- 168次使用
-
- 智慧芽Eureka
- 智慧芽Eureka,专为技术创新打造的AI Agent平台。深度理解专利、研发、生物医药、材料、科创等复杂场景,通过专家级AI Agent精准执行任务,智能化工作流解放70%生产力,让您专注核心创新。
- 180次使用
-
- GPT-4王者加冕!读图做题性能炸天,凭自己就能考上斯坦福
- 2023-04-25 501浏览
-
- 单块V100训练模型提速72倍!尤洋团队新成果获AAAI 2023杰出论文奖
- 2023-04-24 501浏览
-
- ChatGPT 真的会接管世界吗?
- 2023-04-13 501浏览
-
- VR的终极形态是「假眼」?Neuralink前联合创始人掏出新产品:科学之眼!
- 2023-04-30 501浏览
-
- 实现实时制造可视性优势有哪些?
- 2023-04-15 501浏览