Ученые из МФТИ и Сколтеха под руководством профессора Артема Оганова смогли восстановить картину межатомных взаимодействий в кристаллических структурах с помощью методов машинного обучения. Задача состояла в разработке быстрого и точного метода, который объединит точность квантовых расчётов со скоростью машинного обучения.
Павел Долгирев, первый автор исследования: «Мы поставили перед собой очень сложную задачу. Люди очень долго не умели находить структуры с помощью обычной квантовой механики. И только недавно большой прогресс был сделан группой моего руководителя – Артема Оганова – они разработали алгоритм USPEX, который с помощью эволюционного алгоритма творит невероятные вещи. Тем не менее, даже USPEX ограничен, например, скоростью вычислений квантовых расчетов. Возможно в дальнейшем получится скомбинировать этот подход с методами машинного обучения и получить алгоритм, который будет иметь точность квантовых расчетов и скорость машинного обучения».
Изображение: Workbit / Wikimedia
При машинном обучении на вход подается информация, описывающая положение атомов в кристаллической решетке, а на выходе получается энергия такого кристалла. Ученых интересовала именно энергия, потому что минимум энергии определяет стабильную структуру, которая будет существовать в природе. В процессе обучения алгоритм становится способным находить корреляцию между сигналом на входе и сигналом на выходе.
Главная проблема ученых заключалась в интерпретации результатов с точки зрения физики. C помощью придуманной ими модели они смогли получить хорошие результаты предсказания структур для металлов, благородных газов и углерода. Предложенный метод обучения позволяет восстановить картину взаимодействий атомов друг с другом, «вслепую», получая интуитивно ожидавшиеся потенциалы Леннард-Джонса для благородных газов и осциллирующие потенциалы для металлов, то есть из совершенно общих посылок ученые получили типы потенциалов межмолекулярных взаимодействий, ожидавшиеся для данных веществ на основе упрощённых физических моделей.
Дальнейшая работа по данному проекту будут связаны с улучшением точности метода.
Результаты исследования опубликованы Американским Институтом Физики( AIP).
