Predictive free energy simulations through hierarchical distillation of quantum Hamiltonians

量子 自由度(物理和化学) 物理 工作(物理) 嵌入 统计物理学 动能 量子力学 反作用坐标 量子化学 量子算法 波函数 量子过程 量子化学 静电学 量子动力学 离解(化学) 相空间 经典力学 相(物质) 量子操作 量子耗散 化学 量子计算机 化学过程 量子系统 蒸馏 能量(信号处理) 最大值和最小值 化学能 量子相变 势能 量子模拟器 化学反应 分子动力学 从头算
作者
Chenghan Li,Garnet Kin-Lic Chan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (6): e2529120123-e2529120123
标识
DOI:10.1073/pnas.2529120123
摘要

Obtaining the free energies of condensed phase chemical reactions remains computationally prohibitive for high-level quantum mechanical methods. We introduce a hierarchical machine learning framework that bridges this gap by distilling knowledge from a small number of high-fidelity quantum calculations into increasingly coarse-grained, machine-learned quantum Hamiltonians. By retaining explicit electronic degrees of freedom, our approach further enables a faithful embedding of quantum and classical degrees of freedom that captures long-range electrostatics and the quantum response to a classical environment to infinite order. As validation, we compute the proton dissociation constants of weak acids and the kinetic rate of an enzymatic reaction entirely from first principles, reproducing experimental measurements within chemical accuracy or their uncertainties. Our work demonstrates a path to condensed phase simulations of reaction free energies at the highest levels of accuracy with converged statistics.
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