Predicting quantum operator matrices such as Hamiltonian, overlap, and density matrices in the density functional theory (DFT) framework is crucial for understanding material properties. Current methods often focus on individual operators and struggle with efficiency and scalability for large systems. Here we introduce a novel deep learning model, SLEM (Strictly Localized Equivariant Message-passing) for predicting multiple quantum operators, that achieves state-of-the-art accuracy while dramatically improving computational efficiency. SLEM's key innovation is its strict locality-based design, constructing local, equivariant representations for quantum tensors while preserving physical symmetries. This enables complex many-body dependence without expanding the effective receptive field, leading to superior data efficiency and transferability. Using an innovative SO(2) convolution technique, SLEM reduces the computational complexity of high-order tensor products and is therefore capable of handling systems requiring the $f$ and $g$ orbitals in their basis sets. We demonstrate SLEM's capabilities across diverse 2D and 3D materials, achieving high accuracy even with limited training data. SLEM's design facilitates efficient parallelization, potentially extending DFT simulations to systems with device-level sizes, opening new possibilities for large-scale quantum simulations and high-throughput materials discovery.


翻译:在密度泛函理论(DFT)框架中预测哈密顿量、重叠矩阵和密度矩阵等量子算子矩阵对于理解材料性质至关重要。现有方法通常针对单个算子,且在处理大体系时面临效率和可扩展性挑战。本文提出一种新颖的深度学习模型SLEM(严格局域化等变消息传递),用于预测多种量子算子,在显著提升计算效率的同时实现了最先进的精度。SLEM的核心创新在于其基于严格局域性的设计,在保持物理对称性的前提下为量子张量构建局部等变表示。这使得模型能够在不扩大有效感受野的情况下捕捉复杂的多体依赖性,从而获得卓越的数据效率和可迁移性。通过创新的SO(2)卷积技术,SLEM降低了高阶张量积的计算复杂度,因此能够处理基组中需要包含$f$轨道和$g$轨道的体系。我们在多种二维和三维材料体系上验证了SLEM的性能,即使在有限训练数据下也能实现高精度预测。SLEM的设计有利于高效并行化,有望将DFT模拟扩展到器件级尺寸的体系,为大规模量子模拟和高通量材料发现开辟了新途径。

0
下载
关闭预览

相关内容

专知会员服务
25+阅读 · 2021年7月31日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
自动结构变分推理,Automatic structured variational inference
专知会员服务
41+阅读 · 2020年2月10日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
人工智能赋能无人机:俄乌战争(万字长文)
专知会员服务
0+阅读 · 37分钟前
国外海军作战管理系统与作战训练系统
专知会员服务
0+阅读 · 今天4:16
美军条令《海军陆战队规划流程(2026版)》
专知会员服务
6+阅读 · 今天3:36
《压缩式分布式交互仿真标准》120页
专知会员服务
3+阅读 · 今天3:21
《电子战数据交换模型研究报告》
专知会员服务
5+阅读 · 今天3:13
《基于Transformer的异常舰船导航识别与跟踪》80页
《低数据领域军事目标检测模型研究》
专知会员服务
5+阅读 · 今天2:37
【CMU博士论文】物理世界的视觉感知与深度理解
伊朗战争停火期间美军关键弹药状况分析
专知会员服务
8+阅读 · 4月22日
电子战革命:塑造战场的十年突破(2015–2025)
相关VIP内容
专知会员服务
25+阅读 · 2021年7月31日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
自动结构变分推理,Automatic structured variational inference
专知会员服务
41+阅读 · 2020年2月10日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员