Модели искусственного интеллекта, преобразующие текст в изображения, также полезны для генерации новых материалов. За последние несколько лет генеративные модели материалов от таких компаний, как Google, Microsoft и Meta, использовали свои обучающие данные, чтобы помочь исследователям разработать десятки миллионов новых материалов.
Однако когда дело доходит до создания материалов с экзотическими квантовыми свойствами, такими как сверхпроводимость или уникальные магнитные состояния, эти модели сталкиваются с трудностями. Это досадно, поскольку людям могла бы понадобиться помощь. Например, после десятилетия исследований в области материалов, которые могли бы революционизировать квантовые вычисления, под названием квантовые спиновые жидкости, было идентифицировано всего около десятка кандидатов в материалы.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технику, которая позволяет популярным генеративным моделям материалов создавать перспективные квантовые материалы, следуя определённым правилам проектирования. Эти правила, или ограничения, направляют модели на создание материалов с уникальными структурами, которые порождают квантовые свойства.
«Модели этих крупных компаний генерируют материалы, оптимизированные для стабильности», — говорит Мингда Ли, профессор развития карьеры класса 1947 года в MIT. «Наша точка зрения заключается в том, что обычно прогресс в материаловедении идёт не так. Нам не нужно 10 миллионов новых материалов, чтобы изменить мир. Нам нужен всего один действительно хороший материал».
Подход, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Materials
Исследователи применили свою методику для генерации миллионов кандидатов в материалы, состоящих из геометрических решёток, связанных с квантовыми свойствами. Из этого пула они синтезировали два реальных материала с экзотическими магнитными свойствами.
«Люди в квантовом сообществе действительно заботятся об этих геометрических ограничениях, таких как решётки Кагоме, которые представляют собой два перекрывающихся перевёрнутых треугольника», — говорит Ли. «Мы создали материалы с решётками Кагоме, потому что эти материалы могут имитировать поведение редкоземельных элементов, поэтому они имеют высокое техническое значение».
Направление моделей к значимым результатам
Свойства материала определяются его структурой, и квантовые материалы не являются исключением. Определённые атомные структуры с большей вероятностью порождают экзотические квантовые свойства, чем другие. Например, квадратные решётки могут служить платформой для высокотемпературных сверхпроводников, в то время как другие формы, известные как решётки Кагоме и Либа, могут поддерживать создание материалов, которые могут быть полезны для квантовых вычислений.
Чтобы помочь популярному классу генеративных моделей, известных как диффузионные модели, создавать материалы, соответствующие определённым геометрическим шаблонам, исследователи создали SCIGEN (сокращение от Structural Constraint Integration in GENerative model). SCIGEN — это компьютерный код, который обеспечивает соблюдение диффузионными моделями пользовательских ограничений на каждом этапе итеративной генерации. С помощью SCIGEN пользователи могут задавать любой генеративной модели ИИ геометрические структурные правила, которым она должна следовать при генерации материалов.
Модели ИИ работают путём выборки из своего обучающего набора данных для создания структур, отражающих распределение структур, найденных в наборе данных. SCIGEN блокирует генерации, которые не соответствуют структурным правилам.
Для тестирования SCIGEN исследователи применили его к популярной модели генерации материалов ИИ, известной как DiffCSP. Они использовали модель, оснащённую SCIGEN, для генерации материалов с уникальными геометрическими узорами, известными как архимедовы решётки, которые представляют собой коллекции двумерных мозаичных решёток из различных многоугольников. Архимедовы решётки могут привести к ряду квантовых явлений и были предметом многочисленных исследований.
«Архимедовы решётки порождают квантовые спиновые жидкости и так называемые плоские зоны, которые могут имитировать свойства редкоземельных элементов без редкоземельных элементов, поэтому они чрезвычайно важны», — говорит Чэн, соавтор работы. «Другие материалы с архимедовыми решётками имеют большие поры, которые можно использовать для улавливания углерода и других применений, так что это коллекция специальных материалов. В некоторых случаях нет известных материалов с такой решёткой, так что я думаю, будет действительно интересно найти первый материал, который впишется в эту решётку».
Ускорение прорывов в области материалов
Квантовые спиновые жидкости могут открыть квантовые вычисления, обеспечив стабильные, устойчивые к ошибкам кубиты, которые служат основой квантовых операций. Но материалы с квантовыми спиновыми жидкостями не были подтверждены. Се и Кава считают, что SCIGEN может ускорить поиск этих материалов.
«Существует большой поиск материалов для квантовых компьютеров и топологических сверхпроводников, и всё это связано с геометрическими узорами материалов», — говорит Се. «Но экспериментальный прогресс шёл очень медленно», — добавляет Кава. «Многие из этих материалов с квантовыми спиновыми жидкостями подчиняются ограничениям: они должны быть в треугольной решётке или решётке Кагоме. Если материалы удовлетворяют этим ограничениям, квантовые исследователи приходят в восторг; это необходимое, но недостаточное условие. Таким образом, генерируя множество материалов, экспериментаторы сразу получают сотни или тысячи дополнительных кандидатов для ускорения исследований в области материалов для квантовых компьютеров».
«Эта работа представляет новый инструмент, использующий машинное обучение, который может предсказывать, какие материалы будут иметь определённые элементы в желаемом геометрическом узоре», — говорит профессор Университета Дрекселя Стив Мэй, который не участвовал в исследовании. «Это должно ускорить разработку ранее неисследованных материалов для применения в электронных, магнитных или оптических технологиях следующего поколения».
Исследователи подчёркивают, что эксперименты по-прежнему имеют решающее значение для оценки того, можно ли синтезировать материалы, созданные с помощью ИИ, и как их фактические свойства соотносятся с модельными предсказаниями. Будущая работа над SCIGEN может включать в себя включение дополнительных правил проектирования в генеративные модели, включая химические и функциональные ограничения.
«Люди, которые хотят изменить мир, заботятся о свойствах материалов больше, чем о стабильности и структуре материалов», — говорит Окабэ. «Наш подход снижает долю стабильных материалов, но открывает дверь для создания множества перспективных материалов».
Работа была частично поддержана Министерством энергетики США, Национальным энергетическим исследовательским вычислительным центром, Национальным научным фондом и Национальной лабораторией в Оук-Ридже.
1. Какие трудности испытывают генеративные модели при создании материалов с экзотическими квантовыми свойствами?
Генеративные модели, такие как те, что используются компаниями Google, Microsoft и Meta, сталкиваются с трудностями при создании материалов с экзотическими квантовыми свойствами, такими как сверхпроводимость или уникальные магнитные состояния.
2. Какие новые возможности открывает SCIGEN для исследователей в области материаловедения?
SCIGEN — это компьютерный код, который обеспечивает соблюдение диффузионными моделями пользовательских ограничений на каждом этапе итеративной генерации. С помощью SCIGEN пользователи могут задавать любой генеративной модели ИИ геометрические структурные правила, которым она должна следовать при генерации материалов. Это позволяет исследователям создавать материалы с уникальными структурами, которые порождают квантовые свойства.
3. Какие геометрические структуры могут быть полезны для создания материалов, полезных в квантовых вычислениях?
Определённые атомные структуры с большей вероятностью порождают экзотические квантовые свойства, чем другие. Например, квадратные решётки могут служить платформой для высокотемпературных сверхпроводников, в то время как другие формы, известные как решётки Кагоме и Либа, могут поддерживать создание материалов, которые могут быть полезны для квантовых вычислений.
4. Какие цели преследовали исследователи, разрабатывая технику SCIGEN?
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технику, которая позволяет популярным генеративным моделям материалов создавать перспективные квантовые материалы, следуя определённым правилам проектирования. Их цель — помочь генеративным моделям создавать материалы с уникальными структурами, которые порождают квантовые свойства, и ускорить поиск материалов с квантовыми спиновыми жидкостями.
5. Какие перспективы открывает использование SCIGEN в будущем?
Будущая работа над SCIGEN может включать в себя включение дополнительных правил проектирования в генеративные модели, включая химические и функциональные ограничения. Это может ускорить разработку ранее неисследованных материалов для применения в электронных, магнитных или оптических технологиях следующего поколения.