Математики улучшили алгоритм, позволяющий теоретически предсказывать самую стабильную структуру соединений

Ученые Сколковского института науки и технологии улучшили алгоритм, позволяющий теоретически предсказывать самую стабильную структуру соединений. Результат был представлен на конференции APS March Meeting 2019 в Бостоне. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Задача поиска новых материалов – одна из тех, что с каждым годом становятся только актуальнее. До настоящего времени большую часть новых материалов открывали методом проб и ошибок, что обходится достаточно дорого. За последнее время квантовая механика сильно шагнула вперед, и благодаря этому поиск стабильной структуры свелся к написанию программы. Поиск стабильной структуры называют квантово-механическим моделированием, и для вычислений, которые необходимы при этом, используют суперкомпьютеры с очень большой мощностью.

«На квантово-механическое моделирование материалов затрачивается около 30% мощностей современных суперкомпьютеров. Это одна из самых вычислительно сложных и одновременно востребованных задач», – комментирует автор доклада математик Александр Шапеев, кандидат математических наук, старший преподаватель центра по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных Сколковского института науки и технологий.

Для того чтобы понять, насколько стабильно соединение, нужно рассчитать энергию каждого атома. Основной метод, который представили в семидесятых годах и используют по сей день, – теория функционала плотности (в англоязычных источниках Density Functional Theory, DFT). Он хорош тем, что позволяет рассчитывать энергию системы с большим количеством атомов, для которой невозможно решить уравнение Шредингера. Соединение представляют как множество взаимодействующих друг с другом электронов, которые удерживает решетка из атомных ядер. Главная особенность метода заключается в том, что для определения состояния системы не нужно учитывать каждый отдельно взятый электрон – многоэлектронную волновую функцию заменяют электронной плотностью. Такая замена делает уравнение Шредингера решаемым. Результаты, которые получают в результате DFT, довольно точные, но расчет больших структур может занимать много времени, вплоть до нескольких месяцев.

Решением стало использование машинного обучения, которое позволяет получить результат гораздо быстрее. В случае метода DFT необходимо предоставить компьютеру 100 000 разных структур, из которых он будет получать самую стабильную. При машинном обучении достаточно знать ответ для 1000 соединений, а для остальных 99 000 машина все вычислит сама. Однако из-за того, что все соединения немного различаются, в результате появляется ошибка: соединение, найденное машинным обучением, может быть менее стабильным, чем полученное методом DFT. То есть на ответ, полученный машинным обучением, можно опираться только приблизительно.

Проблему этой неточности решил Александр Шапеев. Идея в том, чтобы относиться к результату, полученному машинным обучением, не как к конечному ответу. С его помощью можно оценить, насколько велика вероятность того, что найденная структура — нужная. Ответ, который дает машинное обучение, «досчитывается» методом DFT. То есть все еще необходимо рассчитывать 1000 структур методом DFT, и так же, как и при обычном машинном обучении, остальные 99000 машина оценит сама. В конце вместо того, чтобы принять ответ за окончательный, берут еще 1000 самых стабильных структур и «досчитывают» их методом DFT. Таким образом, результат получается настолько же точным, как при «чистом» DFT, и тем не менее на порядки более быстрым. Иными словами, машинное обучение проводит предварительный отбор структур и так добавляется еще один этап в конкурсе на лучшую структуру. «Долгие расчеты – один из главных барьеров на пути к мечте инженеров проектировать материалы на компьютере одновременно с дизайном изделий. Возьмем, например, процесс изготовления автомобилей. На сегодняшний день машины делают так: дизайнеры проектируют конструкцию, а инженеры собирают ее из уже готовых материалов, которые придумали много лет назад. Придумывать новые сплавы долго, поэтому используют старые, проверенные временем, пусть даже не оптимальные. Мечта инженера – возможность теоретического поиска лучшего сплава для заданного изделия. Представьте, насколько было бы лучше не тратить годы в лаборатории, а просто взять и рассчитать сплав одновременно с дизайном конструкции. Наше исследование – шаг на пути к этой мечте», – говорит Александр Шапеев.Источник

---

Немного не свежая новость, но. вроде бы её не было.

mmsh. писал(а):

Ученые Сколковского института науки и технологии улучшили алгоритм, позволяющий теоретически предсказывать самую стабильную структуру соединений.

Вот если бы нашли новый способ предсказывать точно погоду на послезавтра! Вот это было бы очень хорошо.

bablzz
у нас через два дня здорово похолодает
вот нашли бы способ включать отопление вовремя а не вымораживать людей как тараканов

Вот этА здоооорАва!! Побольше нужно таких новостей на сайте. И в курсе новостей квантовой физики тоже оооочень хотелось бы быть.
А потом: праздрявляем !!! Очередное достижение, 100500 релизов от ....

mmsh. писал(а):

Ученые Сколковского института науки и технологии улучшили алгоритм, позволяющий теоретически предсказывать самую стабильную структуру соединений.

Сижу читаю и думаю - кому же эта тема MMSH так зайдет

bablzz писал(а):

если бы нашли новый способ предсказывать точно погоду на послезавтра

Вот, сколько нужно человеку для счастья, а Вы о квантовых разработках , хотя, что то в этом есть

mmsh. писал(а):

bablzz у нас через два дня здорово похолодает вот нашли бы способ включать отопление вовремя а не вымораживать людей как тараканов

в каждом регионе свои параметры, например, не ранее 15 сентября при среднесуточной температуре +8 С. Поэтому долбите своих чинушей, если мерзнете.

dep_k писал(а):

Поэтому долбите своих чинушей, если мерзнете.

При "Советах" норма была 10 градусов и никакие на 5 дней кряду вымораживание
Холодно - звонишь в Райком, Исполком - и начинают давать градус

нынче - без толку звонить
МОЭК всегда как от мухи назойливой - дескать 8 град 5 дней
пока наш Градоначальник в общем не даст отмашку
Короче говоря я бы и ноги целовал, лишь бы не кочянеть да крутить счетчик на масляный камин, да не допустят к телу ))

Anrif писал(а):

так зайдет

я считал МОПАКОМ видно ностальгия )) ну извините коль что не так ))

у нас отопление еще не дали..

С чего вы это в теме про квантовую физику начали обсуждать отопление? Кому-то лень открыть закон и почитать? Предлагаю прекратить офтоп.

Новость реально отличная. Потому что находится на стыке фундаментальной науки и прикладной. То есть, на наших глазах абстрактные решения переходят во вполне реальные практические воплощения.

Мы живём во время смены пятого технологического уклада на шестой. Одно из ключевых направлений в шестом укладе — новые материалы. Причём, их нужно не просто разрабатывать, а много и быстро. Многие отрасли буквально стоят на низком старте и ждут новых материалов. Например, космонавтика ждёт новое покрытие для дюз. Авиация и энергетика — для лопаток турбин. И все вместе ждут новые электроаккумуляторы.

Так что способ не просто программировать новые материалы, а делать это быстрее и точнее — реальный прорыв. И тут впереди оказались наши! Молодцы, что сказать, просто молодцы!

Casablanka писал(а):

Так что способ не просто программировать новые материалы, а делать это быстрее и точнее — реальный прорыв. И тут впереди оказались наши! Молодцы, что сказать, просто молодцы!

Ну впереди оказались не наши, а те, кто имеет вычислительные квантовые мощности и соответствующие им программы обучения - суть улучшения к этому и сводится.

aiwalev писал(а):

Ну впереди оказались не наши, а те, кто имеет вычислительные квантовые мощности и соответствующие им программы обучения

У нас всё это есть, так что да, наши.

dimitriy7 писал(а):

У нас всё это есть, так что да, наши.

Есть вычислительные мощности?

aiwalev писал(а):

Есть вычислительные мощности?

Вполне на уровне других стран.

Ещё бы к Хартри-Фоку активное обучение приспособили. А то современные алгоритмы зачастую имеют проблемы со сходимостью из-за своей тупости.
А вообще будущее химии - это всеобщая открытая база данных свойств химических соединений + ИИ, её обрабатывающий в поисках эмпирических закономерностей. А удел химиков - заполнять пустые ячейки этой базы.

Rhenium писал(а):

А удел химиков

у химиков не только эти уделы хватает других
например , работать с карбонилатами рения Rhenium ))