A neural network-based machine learning potential energy surface (PES) expressed in a matrix product operator (NN-MPO) is proposed. The MPO form enables efficient evaluation of high-dimensional integrals that arise in solving the time-dependent and time-independent Schr\"odinger equation and effectively overcomes the so-called curse of dimensionality. This starkly contrasts with other neural network-based machine learning PES methods, such as multi-layer perceptrons (MLPs), where evaluating high-dimensional integrals is not straightforward due to the fully connected topology in their backbone architecture. Nevertheless, the NN-MPO retains the high representational capacity of neural networks. NN-MPO can achieve spectroscopic accuracy with a test mean absolute error (MAE) of 3.03 cm$^{-1}$ for a fully coupled six-dimensional ab initio PES, using only 625 training points distributed across a 0 to 17,000 cm$^{-1}$ energy range. Our Python implementation is available at https://github.com/KenHino/Pompon.


翻译:本文提出了一种基于神经网络的机器学习势能面,该势能面以矩阵乘积算子形式表达(NN-MPO)。MPO形式能够高效计算求解含时与不含时薛定谔方程时出现的高维积分,并有效克服所谓的“维度灾难”。这与其他基于神经网络的机器学习势能面方法(如多层感知机)形成鲜明对比——由于MLP主干架构采用全连接拓扑,其高维积分计算并不直接。尽管如此,NN-MPO仍保持了神经网络的高表达能力。对于完全耦合的六维从头算势能面,NN-MPO仅需625个在0至17,000 cm$^{-1}$能量范围内分布的训练点,即可达到光谱精度,测试平均绝对误差为3.03 cm$^{-1}$。我们的Python实现已发布于https://github.com/KenHino/Pompon。

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