Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Moleküle in Millisekunden erforschen

13.02.2012
Neues Verfahren zur Erkundung des chemischen Raumes verbindet Quantenchemie mit künstlicher Intelligenz

Die Forschungsgebiete Quantenchemie und künstliche Intelligenz (Maschinelles Lernen) rücken näher zusammen. Ein interdisziplinäres Forscherteam erhöhte jetzt die Geschwindigkeit zur Berechnung der Energie kleiner Moleküle gleich um mehrere Größenordnungen.

Das beschreiben die Teammitglieder in einem Beitrag in der jüngsten Ausgabe des Fachmagazins Physical Review Letters. Mit der neuen Methode können nun die Berechnungen von molekularen Eigenschaften mit quantenchemischer Genauigkeit erstmals in großem Maßstab durchgeführt werden. Damit steht die Tür offen, den chemischen „Raum“ der schier unendlich vielen denkbaren, aber noch nicht untersuchten Moleküle zu erkunden.

Die angewandten Methoden der Quantenchemie können molekulare Eigenschaften wie Bindungsenergien mit dem Computer berechnen, ohne dass Experimente erforderlich sind. Dies ist in vielen chemischen Anwendungen wie der Katalyse, der Reaktionsplanung sowie bei der Entwicklung neuer Materialien notwendig. Bisher beruhen diese Rechnungen auf dem numerischen Lösen einer angenäherten Schrödinger-Gleichung, einer der Grundgleichungen für die Dynamik von Quantensystemen. Dies erfordert jedoch enorme Rechenkapazität: Im Schnitt rechnet man eine Stunde pro Molekül, was die Gesamtanzahl an Molekülen, die untersucht werden können, drastisch limitiert.

Das Maschinelle Lernen erstellt Vorhersagemodelle aus Beispieldaten. Es findet bereits eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen unseres Alltags. Dazu gehören Internet-Suchmaschinen wie Google oder Buchvorschläge für neue Amazon-Kunden. Aber auch in der Genetik oder der Hirnforschung werden diese Modelle angewandt. Ein konkretes Beispiel ist das Berliner Brain-Computer Interface, mit dem Hirnsignale in Steuersignale übersetzt werden, um einen Computer oder eine Maschine zu steuern, gewissermaßen mit der „Kraft der Gedanken“.

Auf die Quantenchemie angewandt, erlaubt das Maschinelle Lernen nun molekulare Eigenschaften mit vergleichbarer Genauigkeit innerhalb weniger Millisekunden vorherzusagen. Dazu müssen lediglich einige Referenzenergien quantenchemisch berechnet werden, um das Vorhersagemodell zu erlernen. Der erzielte Geschwindigkeitsgewinn der neuen Technik wird es in Zukunft erlauben, viele Moleküle mit quantenchemischer Genauigkeit zu untersuchen. Damit kann der chemische Raum in beispiellosem Ausmaß von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erkundet werden.

„Erneut war das Maschinelle Lernen der Schlüssel zum Durchbruch. Es erlaubt die Vorhersage quantenchemischer Eigenschaften von Molekülen ohne die aufwändige Lösung der Schrödinger-Gleichung. Und das nahezu in Echtzeit. Die Präzision unserer Methode ist vergleichbar zum Stand der Technik – mit einem gravierenden Unterschied: Wir können die Rechenzeit von zirka einer Stunde auf wenige Millisekunden pro Molekül reduzieren“, sagt Prof. Dr. Klaus-Robert Müller vom Fachgebiet „Maschinelles Lernen“ der TU Berlin.

Dieser gemeinsame Durchbruch gelang Forscherinnen und Forschern der TU Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und dem Argonne National Laboratory. Sie arbeiteten in einem Workshop am Institute for Pure and Applied Mathematics der University of California, Los Angeles, für ein Semester zusammen.

Originalveröffentlichung:
Matthias Rupp, Alexandre Tkatschenko, Klaus-Robert Müller, and O. Anatole von Lilienfeld
Fast and Accurate Modeling of Molecular Atomization Energies with Machine Learning
Physical Review Letters 108, 058301 (2012) | doi:10.1103/PhysRevLett.108.058301

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern: Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, TU Berlin, Fachgebiet „Maschinelles Lernen“, Tel.: 030/314-78620, E-Mail: klaus-robert.mueller@tu-berlin.de und Dr. Alexandre Tkatchenko, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Tel.: 030/8413-5737, E-Mail: tkatchen@fhi-berlin.mpg.de

Stefanie Terp | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an
26.05.2017 | Universität Basel

nachricht Wachstumsmechanismus der Pilze entschlüsselt
26.05.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften