量子化學在量子尺度上研究化學性質和過程,為現代化學的研究和發現開辟了許多途徑。化學家不需要使用燒杯或試管,就可以研究某一特定原子或分子的電子結構,它們是如何排列在軌道上,以及這些電子如何與其他化合物或原子的電子相互作用,來預測給定原子或分子的性質,以及它將如何發生化學反應。
然而,盡管量子化學已經顯示出強大的威力,但它也有一個很大的缺點:精確的計算是資源密集型和耗時型的,常規化學研究涉及到數天甚至更長時間的計算。
現在,多虧了一種使用機器學習的新量子化學工具,量子化學計算的速度可以比以前快1000倍,從而使精確的量子化學研究比以往任何時候都要快。
這個名為OrbNet的工具是由加州理工學院的化學教授tommiller和Bren計算和數學科學教授animaanandkumar合作開發的。
米勒說:“在量子化學中,計算的準確性和所需時間之間存在著一種相互影響的相互作用。”你可以開始計算,然后說,‘好吧,星期二見。’但現在,計算可以交互進行了。”
OrbNet使用了一個圖形神經網絡,一種機器學習系統,它將信息表示為“節點”,其中包含數據,而“邊”表示這些數據塊之間的關聯方式。
米勒說,OrbNet之所以能像現在這樣工作,是因為在原子和分子映射到圖形神經網絡的方式上有了創新,這種網絡是以薛定諤方程為基礎的,薛定諤方程是量子力學的核心數學。
他說:“以前的圖結構把原子組織成節點,把原子之間的鍵組織成邊,但量子化學并不是這樣想的。”因此,我們建立了一個圖,其中節點是電子軌道,邊是軌道之間的相互作用。這與薛定諤方程有著更為自然的聯系。”
像所有的機器學習系統一樣,OrbNet需要經過培訓才能執行指定的任務,這與獲得新工作的人需要如何為此接受培訓類似。OrbNet學會了在精確參考量子力學計算的基礎上預測分子性質。Anandkumar的研究重點是機器學習,他幫助設計和優化了圖神經網絡的實現。
Orbnet是一個很好的例子,它使用特定領域的特性:在本例中,是分子軌道。這使得機器學習模型能夠精確地計算出比訓練數據中的分子大得多,高達10倍的分子對于一個標準的深度學習模型,這種外推是不可能的,因為它只學習在訓練數據上插值。利用分子軌道的領域知識對我們實現向大分子的轉移至關重要。
目前,OrbNet已經對大約100000個分子進行了訓練,Miller說這使得它能夠為研究人員執行許多有用的計算,但是正在進行的努力旨在將其擴展到更大的訓練數據集。
“分子性質的預測有許多實際的好處。例如,OrbNet可以用來預測分子的結構,它們的反應方式,它們是否溶于水,或者它們如何與蛋白質結合,”他說。
米勒說,未來在OrbNet上的工作將集中在通過額外的培訓來擴大其任務范圍。
他說:“我們已經證明了這種方法在有機化學的一個小角落起作用,但沒有什么能阻止我們將這種方法擴展到其他應用領域。”
責任編輯:YYX
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