在多种重要应用中，获得电子系统的准确地面和低洼激发态至关重要。一种用于求解对大型系统缩放的Schr \“ Odinger方程的方法是变异量蒙特卡洛（QMC）。最近引入的深层QMC方法使用以深神经网络代表的Ansatzes，并生成几乎精确的分子解决方案的分子解决方案最多包含几十个电子，并有可能扩展到更大的系统，而其他高度准确的方法不可行。在本文中，我们扩展了一个这样的Ansatz（Paulinet）来计算电子激发态。我们在各种方法上演示了我们的方法小原子和分子，并始终达到低洼状态的高精度。为了突出该方法的潜力，我们计算了较大的苯分子的第一个激发态，以及乙烯的圆锥形交集，Paulinet匹配的结果更昂贵高级方法。
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机器学习，特别是深度学习方法在许多模式识别和数据处理问题，游戏玩法中都优于人类的能力，现在在科学发现中也起着越来越重要的作用。机器学习在分子科学中的关键应用是通过使用密度函数理论，耦合群或其他量子化学方法获得的电子schr \“ odinger方程的Ab-Initio溶液中的势能表面或力场。我们回顾了一种最新和互补的方法：使用机器学习来辅助从第一原理中直接解决量子化学问题。具体来说，我们专注于使用神经网络ANSATZ功能的量子蒙特卡洛（QMC）方法，以解决电子SCHR \ “ Odinger方程在第一和第二量化中，计算场和激发态，并概括多个核构型。与现有的量子化学方法相比，这些新的深QMC方法具有以相对适度的计算成本生成高度准确的Schr \“ Odinger方程的溶液。
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神经网络和量子蒙特卡罗方法的组合作为前进的高精度电子结构计算的道路出现。以前的建议具有组合具有反对称层的增强的神经网络层，以满足电子波技的反对称要求。但是，迄今为止，如果可以代表物理兴趣的反对称功能，则不清楚尚不清楚，并且难以测量反对称层的富有效果。这项工作通过将明确的防视通用神经网络层作为诊断工具引入明确的防视通用神经网络层来解决这个问题。我们首先介绍一种通用的反对二手（GA）层，我们用于更换称为FEMINET的高精度ANSATZ的整个防反对二层层。我们证明所得到的FERMINET-GA架构可以有效地产生小型系统的确切地位能量。然后，我们考虑一种分解的反对称（FA）层，其通过替换具有反对称神经网络的产品的决定因素的产品更易于推广FERMINET。有趣的是，由此产生的FERMINET-FA架构并不优于FERMINET。这表明抗体产品的总和是Ferminet架构的关键限制方面。为了进一步探索这一点，我们研究了称为全决定性模式的FERMINET的微小修改，其用单一组合的决定蛋白取代了决定因素的每个产物。完整的单决定性Ferminet封闭标准单决定性Ferminet和Ferminet-Ga之间的大部分间隙。令人惊讶的是，在4.0 BoHR的解离键长度的氮素分子上，全单决定性Ferminet可以显着优于标准的64个决定性Ferminet，从而在0.4千卡/摩尔中获得最佳可用计算基准的能量。
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Schr \“Odinger方程的准确数字解决方案在量子化学方面至关重要。然而，当前高精度方法的计算成本与交互粒子的数量相当差。最近将Monte Carlo方法与无监督的神经网络训练相结合被提议作为克服该环境中的维度诅咒的有希望的方法，并以适度缩放的计算成本获得各个分子的准确的波力。这些方法目前不会利用波力源相对于它们的分子几何形状表现出的规律性。灵感来自最近的近期转移学习在机器翻译和计算机视觉任务中的成功应用，我们试图通过在优化基于神经网络的模型以进行不同分子几何形状时引入权重共享限制来利用这种规律。也就是说，我们限制了优化过程高达95％的w神经网络模型中的八个实际上是相同的分类几何形状。我们发现，当通过数量级考虑相同分子的核几何形状时，该技术可以加速优化，并且它开启了朝向预训练的神经网络波力发射的有希望的路线，即使在不同的分子上也能产生高精度。
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FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.
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量子状态的神经网络表示的变异优化已成功地用于解决相互作用的费米子问题。尽管发展迅速，但在考虑大规模分子时会出现重大的可伸缩性挑战，这些分子与非局部相互作用的量子自旋汉密尔顿人相对应，这些量子旋转汉密尔顿人由数千甚至数百万的保利操作员组成。在这项工作中，我们引入了可扩展的并行化策略，以改善基于神经网络的量子量蒙特卡洛计算，用于AB-Initio量子化学应用。我们建立了由GPU支持的局部能量并行性，以计算潜在复杂分子的哈密顿量的优化目标。使用自回旋抽样技术，我们证明了实现CCSD基线目标能量所需的壁锁定时间的系统改进。通过将最终的旋转汉顿量的结构适应自回归抽样顺序，进一步提高了性能。与经典的近似方法相比，该算法实现了有希望的性能，并且比现有基于神经网络的方法具有运行时间和可伸缩性优势。
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深度神经网络非常成功，因为高度准确的波函数ANS \“ ATZE用于分子基础状态的变异蒙特卡洛计算。我们提出了一个这样的Ansatz，Ferminet的扩展，以计算定期汉密尔顿人的基础状态，并研究均质电子气。小电子气体系统基态能量的费米特计算与先前的启动器完全构型相互作用量子蒙特卡洛和扩散蒙特卡洛计算非常吻合。我们研究了自旋偏振均质的均质电子气体，并证明了这一点相同神经网络架构能够准确地代表离域的费米液态和局部的晶体状态。没有给出网络，没有\ emph {a emph {a a a emph {a a emph {a e emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {a emph {并自发打破对称性以产生结晶蛋白E基态在低密度下。
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解决SCHR \“Odinger方程是许多量子力学性能的关键。然而，分析解决方案仅用于单电子系统的易行。最近，神经网络在许多电子系统的建模波函数中成功。与变分蒙特 - Carlo（VMC）框架，这导致了与最着名的经典方法相提并论的解决方案。仍然，这些神经方法需要大量的计算资源，因为一个人必须为每个分子几何训练单独的模型。在这项工作中，我们结合了一个图形神经网络（GNN）具有神经波功能，同时通过VMC解决多个几何的SCHR \“Odinger方程。这使我们能够通过单个训练通过模拟潜在能量表面的连续子集。与现有的最先进的网络相比，我们的潜在能量表面网络PESNet在匹配或超越其准确性的同时将多个几何形状的训练速度加速至多40次。这可以打开准确和数量级的路径便宜的量子力学计算。
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对称考虑对于用于提供原子配置的有效数学表示的主要框架的核心，然后在机器学习模型中用于预测与每个结构相关的特性。在大多数情况下，模型依赖于以原子为中心的环境的描述，并且适合于学习可以分解成原子贡献的原子特性或全局观察到。然而，许多与量子机械计算相关的数量 - 最值得注意的是，以原子轨道基础写入时的单粒子哈密顿矩阵 - 与单个中心无关，但结构中有两个（或更多个）原子。我们讨论一系列结构描述符，以概括为N中心案例的非常成功的原子居中密度相关特征，特别是如何应用这种结构，以有效地学习（有效）单粒子汉密尔顿人的矩阵元素以原子为中心的轨道基础。这些N中心的特点是完全的，不仅在转换和旋转方面，而且还就与原子相关的指数的排列而言 - 并且适合于构建新类的对称适应的机器学习模型分子和材料的性质。
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氢化镁（MGH $ _2 $）已被广泛研究有效储氢。然而，其散装解吸温度（553 k）被认为是实际应用的太高。除了掺杂外，可以降低这种用于释放氢的这种反应能量的策略是使用MGH $ _2 $基本的纳米颗粒（NPS）。在这里，我们首先调查Mg $ _N $ H $ _ {2n} $ NPS（$ N <10 $）的热力学特性，特别是通过评估对焓，熵和热膨胀的anharmonic影响随机自我一致的谐波近似（SSCHA）。后一种方法超出了先前的方法，通常基于分子力学和准谐波近似，允许AB初始自由能量计算。我们发现了几乎线性依赖于间隙键长度的温度 - 具有超过300k的相对变化，与Mg-H键的键距离降低。为了将NPS的大小增加到MGH $ _2 $的氢解吸的实验中，我们设计了培训的计算有效的机器学习模型，以准确地确定力量和总能量（即潜在能量表面），与SSCHA模型集成了后者完全包括anharmonic效应。我们发现亚纳米簇Mg $ _n $ h $ _ {2n} $以$ n \ leq 10 $的显着减少，但不可忽视，虽然因anharmonicities（最多） 10％）。
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分子照片开关是光激活药物的基础。关键的照片开关是偶氮苯，它表现出对光线的反式cis异构主义。顺式异构体的热半衰期至关重要，因为它控制着光诱导的生物学效应的持续时间。在这里，我们介绍了一种计算工具，用于预测偶氮苯衍生物的热半衰期。我们的自动化方法使用了经过量子化学数据训练的快速准确的机器学习潜力。在建立在良好的早期证据的基础上，我们认为热异构化是通过Intersystem Crossing介导的旋转来进行的，并将这种机制纳入我们的自动化工作流程。我们使用我们的方法来预测19,000种偶氮苯衍生物的热半衰期。我们探索障碍和吸收波长之间的趋势和权衡，并开源我们的数据和软件以加速光精神病学研究。
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我们为致密氢的方程式提供了基于深层生成模型的变化自由能方法。我们采用归一化流网络来对质子玻尔兹曼分布和费米子神经网络进行建模，以在给定的质子位置对电子波函数进行建模。通过共同优化两个神经网络，我们达到了与先前的电子蒙特卡洛计算相当的变异自由能。我们的结果表明，与先前的蒙特卡洛和从头算分子动力学数据相比，行星条件下的氢甚至更浓密，这远离经验化学模型的预测。获得可靠的密集氢状态方程，尤其是直接进入熵和自由能，为行星建模和高压物理学研究开辟了新的机会。
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我们训练神经形态硬件芯片以通过变分能最小化近似Quantum旋转模型的地面状态。与使用马尔可夫链蒙特卡罗进行样品生成的变分人工神经网络相比，这种方法具有优点：神经形态器件以快速和固有的并行方式产生样品。我们开发培训算法，并将其应用于横向场介绍模型，在中等系统尺寸下显示出良好的性能（$ n \ LEQ 10 $）。系统的普遍开心研究表明，较大系统尺寸的可扩展性主要取决于样品质量，该样品质量受到模拟神经芯片上的参数漂移的限制。学习性能显示阈值行为作为ansatz的变分参数的数量的函数，大约为50美元的隐藏神经元，足以表示关键地位，最高$ n = 10 $。网络参数的6 + 1位分辨率不会限制当前设置中的可达近似质量。我们的工作为利用神经形态硬件的能力提供了一种重要的一步，以解决量子数量问题中的维数诅咒。
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我们在基于分子的机器学习（MOB-ML）中介绍了一种新颖的机器学习策略，即内核加法过程回归（KA-GPR），以了解封闭式和开放式壳的通用电子结构理论的总相关能力通过引入机器学习策略来系统。 MOB-ML（KA-GPR）的学习效率与最小的Criegee分子的原始MOB-ML方法相同，这是具有多引用特征的封闭壳分子。此外，通过示例结构训练，不同小自由基的预测精度可以达到1 kcal/mol的化学精度。 MOB-ML（KA-GPR）也可以生成H10链（闭合壳）和水OH OH离解（开放壳）的准确势能表面。为了探索KA-GPR可以描述的化学系统的广度，我们进一步应用MOB-ML准确预测闭合的大型基准数据集，用于闭合 - （QM7B-T，GDB-13-T）和Open-Shell（QMSPIN）分子。
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罕见事件计算研究中的一个中心对象是委员会函数。尽管计算成本高昂，但委员会功能编码涉及罕见事件的过程的完整机械信息，包括反应率和过渡状态合奏。在过渡路径理论（TPT）的框架下，最近的工作[1]提出了一种算法，其中反馈回路融合了一个神经网络，该神经网络将委员会功能建模为重要性采样，主要是伞形采样，该摘要收集了自适应训练所需的数据。在这项工作中，我们显示需要进行其他修改以提高算法的准确性。第一个修改增加了监督学习的要素，这使神经网络通过拟合从短分子动力学轨迹获得的委员会值的样本均值估计来改善其预测。第二个修改用有限的温度字符串（FTS）方法代替了基于委员会的伞采样，该方法可以在过渡途径的区域中进行均匀抽样。我们测试了具有非凸电势能的低维系统的修改，可以通过分析或有限元方法找到参考解决方案，并显示如何将监督学习和FTS方法组合在一起，从而准确地计算了委员会功能和反应速率。我们还为使用FTS方法的算法提供了错误分析，使用少数样品在训练过程中可以准确估算反应速率。然后将这些方法应用于未知参考溶液的分子系统，其中仍然可以获得委员会功能和反应速率的准确计算。
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我们介绍了Netket的版本3，机器学习工具箱适用于许多身体量子物理学。Netket围绕神经网络量子状态构建，并为其评估和优化提供有效的算法。这个新版本是基于JAX的顶部，一个用于Python编程语言的可差分编程和加速的线性代数框架。最重要的新功能是使用机器学习框架的简明符号来定义纯Python代码中的任意神经网络ANS \“凝固的可能性，这允许立即编译以及渐变的隐式生成自动化。Netket 3还带来了GPU和TPU加速器的支持，对离散对称组的高级支持，块以缩放多程度的自由度，Quantum动态应用程序的驱动程序，以及改进的模块化，允许用户仅使用部分工具箱是他们自己代码的基础。
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我们开发了一种组合量子蒙特卡罗的准确性在描述与机器学习电位（MLP）的效率描述电子相关性的技术。我们使用内核线性回归与肥皂（平滑的重叠原子位置）方法结合使用，以非常有效的方式在此实现。关键成分是：i）一种基于最远点采样的稀疏技术，确保我们的MLP的一般性和可转换性和II）所谓的$ \ Delta $ -Learning，允许小型训练数据集，这是一种高度准确的基本属性但是计算地要求计算，例如基于量子蒙特卡罗的计算。作为第一个应用，我们通过强调这一非常高精度的重要性，展示了高压氢气液体过渡的基准研究，并显示了我们的MLP的高精度的重要性，实验室在实验中难以进行实验，以及实验理论仍然远非结论。
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优化在离散变量上的高度复杂的成本/能源功能是不同科学学科和行业的许多公开问题的核心。一个主要障碍是在硬实例中的某些变量子集之间的出现，导致临界减慢或集体冻结了已知的随机本地搜索策略。通常需要指数计算工作来解冻这种变量，并探索配置空间的其他看不见的区域。在这里，我们通过开发自适应梯度的策略来介绍一个量子启发的非本球非识别蒙特卡罗（NMC）算法，可以有效地学习成本函数的关键实例的几何特征。该信息随行使用，以构造空间不均匀的热波动，用于以各种长度尺度集体未填充变量，规避昂贵的勘探与开发权衡。我们将算法应用于两个最具挑战性的组合优化问题：随机k可满足（K-SAT）附近计算阶段转换和二次分配问题（QAP）。我们在专业的确定性求解器和通用随机求解器上观察到显着的加速和鲁棒性。特别是，对于90％的随机4-SAT实例，我们发现了最佳专用确定性算法无法访问的解决方案，该算法（SP）具有最强的10％实例的解决方案质量的大小提高。我们还通过最先进的通用随机求解器（APT）显示出在最先进的通用随机求解器（APT）上的时间到溶液的两个数量级改善。
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这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。
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