研究人員通過結(jié)合人工智能和量子力學來模擬冰的形成

8月10日消息（南山）據(jù)國外媒體報道，位于普林斯頓大學的一個研究小組通過應用人工智能（AI），解決支配單個原子和分子的量子行為方程式，準確地模擬了冰形成的最初步驟。

研究人員將人工智能和量子力學結(jié)合起來，模擬了水結(jié)冰時在分子水平上發(fā)生的情況。其結(jié)果是對冰 "成核 "的最初步驟進行了最完整的模擬，這一過程對氣候和天氣建模非常重要。

由此產(chǎn)生的模擬以量子精度描述了水分子如何轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰。由于需要大量的計算能力，這種準確度曾經(jīng)被認為是無法達到的，但當研究人員將深度神經(jīng)網(wǎng)絡納入他們的方法中時，這種準確度就成為可能。這項研究于2022年8月8日的一周發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。

"從某種意義上說，這就像一個夢想成真，"普林斯頓大學化學教授Roberto Car說。他在35多年前共同開創(chuàng)了根據(jù)基本量子定律模擬分子行為的方法。"我們當時的希望是，最終將能夠研究像這樣的系統(tǒng)，但如果沒有進一步的概念發(fā)展，這是不可能的，而這種發(fā)展是通過一個完全不同的領(lǐng)域，即人工智能和數(shù)據(jù)科學。"

對水凍結(jié)的初始步驟進行建模的能力，一個被稱為冰核的過程，可以提高天氣和氣候建模的準確性，以及其他商業(yè)，例如閃凍食品。

這種新方法使研究人員能夠在比早期研究長幾千倍的時間段內(nèi)跟蹤數(shù)十萬個原子的活動，盡管仍然只是幾分之一秒。

Roberto Car共同發(fā)明了使用基礎(chǔ)量子力學定律來預測原子和分子的物理運動的方法。量子力學定律決定了原子如何相互結(jié)合形成分子，以及分子如何相互結(jié)合形成日常物品。

量子力學計算很復雜，需要巨大的計算能力。在20世紀80年代，計算機可以在幾萬億分之一秒的時間跨度內(nèi)模擬一百個原子。后來計算技術(shù)的進步和現(xiàn)代超級計算機的出現(xiàn)，提高了原子的數(shù)量和模擬的時間跨度，但其結(jié)果遠遠不能滿足觀察復雜過程（如冰核形成）所需的原子數(shù)量。

人工智能提供了一個有吸引力的潛在解決方案。研究人員訓練一個神經(jīng)網(wǎng)絡，因其與人腦的工作原理相似而命名，以識別相對較少的選定量子計算。一旦經(jīng)過訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡就能以量子力學的精度計算出它以前從未見過的原子之間的力量。這種 "機器學習 "方法已經(jīng)在日常應用中使用，如語音識別和自動駕駛汽車。

"冰核是天氣預測模型中的主要未知量之一，"普林斯頓大學教授Pablo Debenedetti說。"這是一個相當重要的進步，因為我們看到與實驗有非常好的一致性。我們已經(jīng)能夠模擬非常大的系統(tǒng)，這在以前的量子計算中是不可想象的。"

生成海報

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