美国科学家实现分子建模量子级精度，预测能力大幅提升

密度泛函理论（DFT）使量子化学计算更易处理。

密歇根大学的研究人员开发出一种新方法，为分子建模带来了量子级别的精确度，为化学与材料科学领域广泛使用的模拟方法提供了全新见解。目前全美国家实验室超算资源的约三分之一被用于理解化学反应与材料特性研究。这类研究的核心是描述电子相互作用方式的量子多体问题 —— 这对确定化学键、反应活性和电学行为至关重要。

虽然量子多体方法能提供无与伦比的精确度，但其计算强度极大，目前仅能应用于极小分子。新方法有望将这些洞察延伸至更大更复杂的体系。

研究突破聚焦密度泛函理论精度提升

密度泛函理论（DFT）通过关注电子密度而非单独追踪每个电子，使量子化学计算更易处理。这种方法大幅降低计算需求，可模拟含数百个原子的体系。但核心挑战在于交换关联泛函（XC functional） —— 该函数根据量子力学规则控制电子相互作用方式。

迄今为止，研究人员不得不依赖针对特定应用定制的近似交换关联泛函，这限制了理论的整体精度。提升该函数精度是使DFT成为更强大化学与材料科学研究工具的关键。据本研究通讯作者、密歇根大学机械工程系教授Vikram Gavini介绍，学术界已知存在一种适用于所有电子体系（分子、金属或半导体）的通用泛函，但其具体形式始终未知。因此理解该泛函对改进DFT至关重要 —— 正是DFT模型中的电子相互作用支撑着化学与材料科学的模拟研究。

美国能源部支持通用交换关联泛函探索

鉴于DFT在推动材料研究与基础科学中的核心作用，美国能源部为本研究提供资金与超算资源支持，助力密歇根大学团队探索通用交换关联泛函。

研究人员首先使用量子多体理论分析单个原子和小型分子，随后摒弃传统近似函数预测电子行为的方法，转而采用机器学习技术确定哪种XC泛函能复现经更精确量子多体方法计算得出的电子行为。

该研究第一作者、密歇根大学机械工程助理研究员Bikash Kanungo指出：精确的交换关联泛函具有材料无关特性，因此应用范围极其广泛。无论是研发高性能电池材料、设计新药物还是构建量子计算机的研究人员都同样需要它。通过改进这一函数，科学家能使密度泛函理论更可靠、更普适，从而在化学、材料科学和新兴技术领域实现更精确的模拟。

如今研究人员既可直接使用密歇根团队发现的XC泛函，也能将其方法应用于新体系 —— 从轻原子分子起步，逐步延伸至固体材料，为化学与材料科学领域更精准高效的模拟计算铺平道路。

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