Kuantum doğruluğu olan molekülleri modellemek için yeni bir numara, temel kimya ve malzeme bilimi çalışmalarında kullanılan popüler bir simülasyon yaklaşımının merkezinde denklemin ortaya çıkmasına yönelik bir adım atar.
Malzemeleri ve kimyasal reaksiyonları anlama çabası, ABD’de ulusal laboratuvar süper bilgisayar süresinin kabaca üçte birini yiyor. Doğruluk için altın standardı, bireysel elektron seviyesinde neler olduğunu söyleyebilen kuantum çok cisim problemidir. Elektronlar kimyasal reaktivite ve bağlar, elektriksel özellikler ve daha fazlasından sorumlu olduğu için kimyasal ve malzeme davranışlarının anahtarı budur. Bununla birlikte, kuantum çok vücut hesaplamaları o kadar zordur ki, bilim adamları bunları sadece atomları ve molekülleri bir seferde bir avuç elektronla hesaplamak için kullanabilirler.
Yoğunluk fonksiyonel teorisi veya DFT daha kolaydır – hesaplamaları için gereken bilgi işlem kaynakları, her yeni elektronla katlanarak artmak yerine küplü elektron sayısıyla ölçeklendirilir. Her bir elektronu takip etmek yerine, bu teori elektron yoğunluklarını hesaplar – elektronların uzayda bulunması muhtemeldir. Bu şekilde, yüzlerce atomun davranışını simüle etmek için kullanılabilir.
DFT kullanıcıları için önemli bir sorun, kuantum mekanik kurallarına uyarak elektronların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini açıklayan değişim korelasyon fonksiyoneldir. Şimdiye kadar, araştırmacılar kendi uygulamaları için XC fonksiyoneline yaklaşmak için yer almak zorunda kaldılar.
Mekanik mühendisliği profesörü ve çalışmanın karşılık gelen yazarı Vikram Gavini, “Evrensel bir fonksiyonel olduğunu biliyoruz – elektronların moleküler bir sistem, bir metal veya yarı iletken parçası mı olduğu önemli değil. Ama formunun ne olduğunu bilmiyoruz” dedi. Bilim ilerliyor.
DFT’nin gelecekteki materyallere ve temel bilime önemi nedeniyle, Enerji Bakanlığı, UM ekibinin bu evrensel XC işlevselliğine yaklaşma arayışı için finansman ve süper bilgisayar süresi sağladı.
Araştırmacılar, bireysel atomları ve küçük molekülleri kuantum çok beden teorisi ile inceleyerek başladılar, böylece DFT problemini ters çevirebilirler. Elektronların atomlar ve moleküllerdeki davranışını vermek için yaklaşık XC fonksiyonelini eklemek yerine, Makine Öğrenimi kullanarak-XC fonksiyonelinin elektronların davranışını kuantum çok beden teorisi ile hesaplandığı şekilde vereceğini anlıyorlar.
Kuantum çok cisim hesaplamalarını kimya ile yönlendiren Paul Zimmerman, “Birçok vücut teorileri bize doğru nedenden dolayı doğru cevabı veriyor, ancak mantıksız bir hesaplama maliyetiyle. Ekibimiz, birçok cisim sonuçlarını doğruluğunun çoğunu koruyan daha basit, daha hızlı bir forma çevirdi.” Dedi. Öğrenci Jeffrey Hatch.
Zimmerman grubu, özellikle lityum, karbon, azot, oksijen, neon, dihidrojen ve lityum hidrit olmak üzere beş atom ve iki molekülden oluşan bir eğitim veri seti oluşturdu. Flor ve su eklemeyi denediler, ancak bu ilaveler XC fonksiyonelini iyileştirmedi – ekip, hafif atomlar ve moleküller üzerindeki verilerden çekerek alacağı kadar iyi olduğuna inanıyor.
Bununla birlikte, bu XC fonksiyonelini kullanan DFT hesaplamaları, karmaşıklık seviyesi için beklenenden çok daha iyiydi. DFT doğruluğu, bir merdivende bir dizi basamak olarak tanımlanır. En temel, ilk açılan formda, elektronlar tek tip bir bulutta mevcut olarak görülür. Gavini’nin kullanılan ikinci sürümünde, elektron bulutu yoğunlukta değişiklikler, gradyan olarak görülüyor.
Üçüncü basamak için araştırmacılar, elektronlar hakkında kinetik enerjileri gibi daha fazla bilgi ekliyorlar. Bu genellikle, elektronlarla neler olup bittiğini daha iyi tanımlayabilen zor çok elektron dalga fonksiyonunun basitleştirilmiş versiyonlarını getirmek anlamına gelir. Bununla birlikte, daha iyi bir XC işlevselliği hesaplayarak, Gavini’nin ekibi üçüncü işletme doğrulukları alıyordu.
UM Mekanik Mühendisliği ve Çalışmanın İlk Yazarları Aci Yardımcı Araştırma Bilimcisi Bikash Kanungo, “Doğru bir XC fonksiyonelinin kullanımı, tam olarak maddi agnostik olduğu için kimyanın kendisi kadar çeşitlidir. Kuantum bilgisayarları bina binalarına yeni ilaçlar keşfetenlere daha iyi pil materyalleri bulmaya çalışan araştırmacılar için eşit derecede alakalı.” Dedi.
Araştırmacılar, grup tarafından keşfedilen XC işlevini doğrudan kullanabilir veya ekibin yaklaşımını deneyebilir. Örneğin, Gavini hafif atomlar ve moleküllerle başladıklarını ve daha sonra katı malzemeleri keşfetmek istediğini söylüyor.
Yine, XC fonksiyonelinin evrensel bir forma sahip olması bekleniyor, ancak zor kısım ne olduğunu bulmak. XC, ekibinin katı maddeler için iyi çalıştığını keşfetti mi? Katılar için hesaplanan yeni bir işlev daha başarılı olur mu? Ve her iki malzeme kümesi için iyi çalışan birleşik bir işlevsellik oluşturabilirler mi?
Ekibin takip etmek istediği diğer gelişme daha yüksek doğruluklardır. Bu, elektronlara toplu olarak bakmak yerine, elektron yoğunlukları olarak, elektronların hareket ettiği bireysel orbitalleri içermeleri gerekecekleri anlamına gelir. Bu durumda, XC fonksiyonelini elde etmek için problemi tersine çevirme hilelerinin çok daha zor bir hesaplama haline gelmesi anlamına gelir. Yoğunluk gradyanlarıyla bile, hesaplamaları ABD’deki en büyük süper bilgisayarlardan birinde yapmak zorunda kaldılar, bu nedenle bu cadde daha fazla hesaplama süresi gerektirecektir.
