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Neuronales Netz als Quantenphysiker

04.01.2019

Mit der Quantenmechanik lässt sich das Verhalten von wenigen Atomen gut beschreiben. Doch geht es um Systeme mit mehr als einigen hundert Atomen, scheitern selbst Supercomputer. Forscher haben nun ein künstliches neuronales Netzwerk quantenmechanische atomare Wechselwirkungen lernen lassen. Mit ein paar Korrekturen können so besondere Eigenschaften von Wasser quantenmechanisch reproduziert werden.

Wasser ist ein besonderer Stoff mit vielen Eigenschaften, in denen es sich von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Die bekannteste ist die sogenannte Dichteanomalie: Wasser hat bei Normaldruck seine höchste Dichte bei vier Grad Celsius. Doch trotz seiner einfachen chemischen Formel H2O sind die thermodynamischen Eigenschaften von Wasser und Eis nur sehr schwierig vorherzusagen.

Netz lernt Wechselwirkungen zwischen Atomen

Das Forscherteam um Michele Ceriotti von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, darunter Christoph Dellago von der Fakultät für Physik der Universität Wien, setzten in ihrer nun im Fachjournal PNAS veröffentlichten Arbeit auf maschinelles Lernen. Sie ließen ein neuronales Netz die quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen Atomen lernen und Vorhersagen über die Energie und Kräfte für ein System von Atomen treffen.

"Das neuronale Netz ist nicht perfekt, im Vergleich zu aufwendigen quantenmechanischen Berechnungen bleibt ein gewisser Restfehler übrig", erklärte Dellago im Gespräch mit der APA. Diesen Fehler können die Wissenschafter aber durch zusätzliche quantenmechanische Berechnungen korrigieren.

"Das schöne ist, dass wir nicht mehr so viele Berechnungen brauchen, weil das neuronale Netz eine sehr gute Näherung liefert und von den Kosten her viel günstiger ist als die Berechnungen mit der Schrödinger-Gleichung", so Dellago. Aufgrund der Effizienz des neuronalen Netzes können die Forscher auch eine quantenmechanische Berechnung für die Atomkerne durchführen.

Quanteneffekte spielen auch in Kernen eine Rolle

Üblicherweise werden die Kerne als massive Teilchen mit klassischer Physik behandelt und nur die Elektronen quantenmechanisch berechnet. Dass aber auch in den Kernen Quanteneffekte eine Rolle spielen, zeigt laut Dellago etwa die Tatsache, dass schweres Wasser (dieses hat im Wasserstoff-Kern ein zusätzliches Neutron) und normales Wasser ein anderes molares Volumen und einen anderen Schmelzpunkt haben.

Mit dieser Technik konnten die Wissenschafter mehrere thermodynamische Eigenschaften von Wasser quantenmechanisch reproduzieren, darunter die Dichte von Eis und Wasser und die Stabilität unterschiedlicher Eisformen. Und dies laut Dellago für Systeme mit ein paar Tausend Molekülen über ein paar Hundert Nanosekunden - was um Größenordnungen besser sei als derzeit mit rein quantenmechanischen Berechnungen möglich ist.

Service: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1815117116

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