Специалисты ВШЭ и Университета Южной Калифорнии разработали алгоритм, который быстро и точно предсказывает поведение квантовых систем. Исследование опубликовано в журнале The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Современные технологии, включая полупроводники и солнечные батареи, основаны на квантовых эффектах. Однако точное моделирование поведения электронов требует огромных вычислительных ресурсов. Традиционный метод молекулярной динамики, используемый для таких расчетов, становится слишком ресурсоемким при быстрых изменениях электронных состояний.

Учёные МИЭМ НИУ ВШЭ предложили новый подход, основанный на машинном обучении. Алгоритм анализирует небольшие фрагменты материала, изучая их локальные свойства, а затем делает прогнозы для всей системы. В качестве объекта исследования был выбран сульфид молибдена MoS2– перспективный материал для оптоэлектроники и фотовольтаики.

В идеальной структуре атомы молибдена (Mo) и серы (S) образуют упорядоченную решётку. Однако в реальных материалах часто присутствуют дефекты: вакансии, лишние атомы или смещения. Эти дефекты могут влиять на поведение электронов, ухудшая или улучшая проводимость материала.

Исследователи обнаружили, что ключевым фактором является не только количество дефектов, но и их расположение. Дефекты могут создавать «ловушки» для носителей заряда, замедляя или ускоряя их движение. Стандартные методы плохо учитывают эти эффекты, так как требуют учета взаимодействия дефектов друг с другом и с атомами материала. Машинное обучение позволяет преодолеть эти ограничения.

«<…> мы сосредоточились на небольших фрагментах материала. Алгоритм сначала изучал локальные свойства системы, а затем предсказывал поведение всей структуры. Это как при изучении языка: сначала ты запоминаешь отдельные слова, а потом начинаешь понимать целые предложения», – пояснил Лю Дунюй, доцент МИЭМ ВШЭ.

Новый метод ускоряет вычисления и позволяет более точно изучать реальные квантовые системы и может быть полезен для разработки более эффективных солнечных батарей, квантовых компьютеров и других устройств, основанных на квантовых эффектах.

По материалам cnews.ru.