機械学習でインスタントン経路の計算精度が向上(Machine Learning Acceleration of Instanton Pathways)

2025-09-09 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国エネルギー省傘下のパシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)は、プロトン移動に伴う量子トンネル効果(核量子効果)を高精度かつ効率的にモデル化する新手法を発表しました。トンネル効果を扱う瞬時子(インスタントン)理論は、反応速度を精緻に予測できるものの、従来は計算負荷が極めて高く、応用が制限されていました。そこで研究チームは、ライン積分型引き伸ばし弾性バンド法(line integral nudged elastic band)とガウス過程回帰(Gaussian Process Regression: GPR)という機械学習技術を組み合わせた手法を確立。このアプローチにより、複雑なヘッセ行列の計算を代理モデルに置き換え、大幅に計算コストを削減しつつ、化学精度を維持することに成功しました。代表的なシミュレーションで、計算コストは従来法より約10分の1に低減され、これによりインスタントン理論がより複雑で現実的な分子系にも実用的に適用可能になりました。対象となるプロトン移動反応には、生物、材料、化学の幅広い領域で重要な影響を及ぼすため、本手法は学術研究や応用化学における量子効果理解を大きく進展させる意義があります。研究成果は『J. Chem. Theory Comput.』に掲載されています

<関連情報>

線積分誘導弾性バンド法とガウス過程回帰を用いたインスタントン理論の加速 Accelerating Instanton Theory with the Line Integral Nudged Elastic Band Method and Gaussian Process Regression

Chenghao Zhang,Amke Nimmrich,Britta A. Johnson,Gregory K. Schenter,Munira Khalil,and Niranjan Govind
Journal of Chemical Theory and Computation  Published: July 17, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5c00673

Abstract

機械学習でインスタントン経路の計算精度が向上(Machine Learning Acceleration of Instanton Pathways)

Quantum tunneling plays a fundamental role in many chemical reactions, particularly proton transfer processes. Ring polymer instanton theory offers a practical framework for computing tunneling rates in complex molecular systems. However, applying the ring polymer instanton method with a potential energy surface generated on-the-fly using electronic structure calculations can be computationally demanding. In this work, we present a new efficient implementation of the ring polymer instanton method by combining the Line Integral Nudged Elastic Band (LI-NEB) approach with Gaussian Process Regression (GPR). We benchmarked this method on prototypical ground-state proton transfer systems, including the benchmark gas-phase hydrogen abstraction reaction H + CH4 → H2 + CH3, malonaldehyde, and Z-3-amino-propenal (aminopropenal). Our results show that this approach is an order of magnitude faster than traditional instanton algorithms while maintaining excellent agreement with their tunneling rates. This development opens the door to studying proton transfer in larger systems with improved efficiency.

1701物理及び化学
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