薛定諤方程以難解而聞名，堪稱(chēng)量子物理學(xué)家們的一大噩夢(mèng)。AI卻表示：?jiǎn)栴}不大。

德國(guó)柏林自由大學(xué)物理系和計(jì)算機(jī)系的科學(xué)家們近日聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種人工智能（AI）方法，用于求解量子化學(xué)領(lǐng)域薛定諤方程的基態(tài)，突破傳統(tǒng)方法在精確度和計(jì)算效率上兩難全的困境。

相關(guān)論文于12月21日發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上，領(lǐng)導(dǎo)該工作的弗蘭克·諾埃（Frank Noé）相信，這個(gè)方法可能會(huì)對(duì)量子化學(xué)的未來(lái)產(chǎn)生重大影響。

量子化學(xué)是一門(mén)以量子視角研究化學(xué)的學(xué)問(wèn)，其主要目標(biāo)是跳過(guò)費(fèi)時(shí)費(fèi)力又費(fèi)錢(qián)的實(shí)驗(yàn)，僅僅通過(guò)組成分子的原子們的空間分布情況就能預(yù)測(cè)出分子的化學(xué)和物理性質(zhì)，以及化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。這理論上可以通過(guò)求解薛定諤方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上異常困難。到目前為止，科學(xué)家們還沒(méi)有找到對(duì)任意分子進(jìn)行精確求解的高效方法。

量子化學(xué)是一門(mén)不用試管和燒瓶的化學(xué)

話(huà)說(shuō)回來(lái)，薛定諤方程到底是個(gè)怎樣的方程？為什么這么難解？

我們知道，在經(jīng)典力學(xué)里面，物體的運(yùn)動(dòng)可以用牛頓第二定律（F=ma）來(lái)描述。但到了微觀的量子世界里可就不一樣了，微觀粒子的行為狀態(tài)遵從一套復(fù)雜得多的規(guī)律，那就要用薛定諤方程來(lái)描述。

1926年，奧地利著名物理學(xué)家薛定諤提出了偉大的方程，為量子力學(xué)奠定一塊基石。在量子世界里，微觀體系的狀態(tài)不能用一些具體的力學(xué)量的值來(lái)確定，而是要用力學(xué)量的函數(shù)，即波函數(shù)來(lái)確定。力學(xué)量取值的概率分布如何，這個(gè)分布隨時(shí)間如何變化，這些問(wèn)題都可以通過(guò)求解波函數(shù)的薛定諤方程得到解答。

這就是為什么說(shuō)量子化學(xué)的核心工作是求解薛定諤方程。分子的化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果基本上由電子圍繞原子核的行為狀態(tài)來(lái)決定。

敲黑板！薛定諤不僅有貓還有方程

雖然老師已經(jīng)把公式寫(xiě)在黑板上了，但真的要套用起來(lái)解題還是很難。迄今為止，人類(lèi)只用薛定諤方程“吃透”了氫原子這個(gè)僅由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)核外電子構(gòu)成的最簡(jiǎn)單體系，用在其他原子上面都大打折扣。

對(duì)于分子這樣更為復(fù)雜的體系而言，波函數(shù)想要深入捕捉到電子們之間如何產(chǎn)生精妙的相互作用，更是難上加難。

事實(shí)上，大部分量子化學(xué)方法放棄了直接求解波函數(shù)，只追求能確定給定分子的能量。這要么需要近似計(jì)算，犧牲了預(yù)測(cè)質(zhì)量，要么需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法，很難實(shí)用。

奧地利物理學(xué)家薛定諤

柏林自由大學(xué)的這項(xiàng)研究成果，最大的價(jià)值就是突破了精確度和計(jì)算效率兩難全的困境，以可接受的計(jì)算成本提供了空前精度。

論文的另一作者楊·赫爾曼（Jan Hermann）提到，目前該領(lǐng)域最流行的計(jì)算方法是高計(jì)算效率的密度泛函理論，而他們提出的深度“量子蒙特卡洛”相比起來(lái)不會(huì)遜色。

不同于將波函數(shù)拆分成相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模塊的傳統(tǒng)方法，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種人工深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以學(xué)習(xí)電子在原子核周?chē)膹?fù)雜分布模式。所謂深度學(xué)習(xí)，是指一種使用分層機(jī)器學(xué)習(xí)算法從海量數(shù)據(jù)集中提取結(jié)構(gòu)化信息的方法。

當(dāng)然，AI能通過(guò)自學(xué)上千萬(wàn)張棋譜擊敗柯潔，自學(xué)量子力學(xué)還是有些“不自量力”了。物理學(xué)家們還將泡利不相容原理等電子波函數(shù)的基本物理特性集成到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，給AI注入量子力學(xué)“靈魂”，成為點(diǎn)睛之筆。