Ab initio solution of the many-electron Schrödinger equation with deep neural networks

安萨茨 波函数 而量子蒙特卡罗 人工神经网络 统计物理学 从头算 量子 电子结构 耦合簇 计算机科学 量子力学 物理 蒙特卡罗方法 数学 分子 机器学习 统计
作者
David Pfau,James S. Spencer,Alexander Matthews,W. M. C. Foulkes
出处
期刊:Physical review research [American Physical Society]
卷期号:2 (3) 被引量:334
标识
DOI:10.1103/physrevresearch.2.033429
摘要

Given access to accurate solutions of the many-electron Schr\"odinger equation, nearly all chemistry could be derived from first principles. Exact wavefunctions of interesting chemical systems are out of reach because they are NP-hard to compute in general, but approximations can be found using polynomially-scaling algorithms. The key challenge for many of these algorithms is the choice of wavefunction approximation, or Ansatz, which must trade off between efficiency and accuracy. Neural networks have shown impressive power as accurate practical function approximators and promise as a compact wavefunction Ansatz for spin systems, but problems in electronic structure require wavefunctions that obey Fermi-Dirac statistics. Here we introduce a novel deep learning architecture, the Fermionic Neural Network, as a powerful wavefunction Ansatz for many-electron systems. The Fermionic Neural Network is able to achieve accuracy beyond other variational quantum Monte Carlo Ans\"atze on a variety of atoms and small molecules. Using no data other than atomic positions and charges, we predict the dissociation curves of the nitrogen molecule and hydrogen chain, two challenging strongly-correlated systems, to significantly higher accuracy than the coupled cluster method, widely considered the most accurate scalable method for quantum chemistry at equilibrium geometry. This demonstrates that deep neural networks can improve the accuracy of variational quantum Monte Carlo to the point where it outperforms other ab-initio quantum chemistry methods, opening the possibility of accurate direct optimization of wavefunctions for previously intractable many-electron systems.
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