物理学 > 化学物理
[提交于 2025年2月21日
(v1)
,最后修订 2025年5月30日 (此版本, v2)]
标题: 机器学习邂逅$\mathfrak{su}(n)$李代数:通过精确迹守恒增强量子动力学学习
标题: Machine learning meets $\mathfrak{su}(n)$ Lie algebra: Enhancing quantum dynamics learning with exact trace conservation
摘要: 机器学习(ML)已成为模拟量子耗散动力学的有前景工具。然而,现有方法在建模约化密度矩阵(RDMs)时常难以强制执行关键物理约束,例如迹守恒。尽管物理学知情神经网络(PINN)旨在解决这些挑战,但它们常常无法实现完全的物理一致性。在这项工作中,我们引入了一种新颖的方法,利用$\mathfrak{su}(n)$李代数将RDMs表示为单位矩阵与$n^2 - 1$的厄米、迹零且正交基算符的组合,其中$n$是系统的维度。通过仅学习与该基相关的系数,我们的框架自然确保了精确的迹守恒,因为基的迹零特性限制了迹贡献仅来自单位矩阵。这消除了损失函数中显式迹守恒惩罚项的需求,简化了优化过程并提高了学习效率。我们在两个基准量子系统上验证了我们的方法:自旋-玻色模型和Fenna-Matthews-Olson复合体。通过比较四种神经网络(NN)架构的性能——纯数据驱动的无物理信息神经网络(PUNN)、$\mathfrak{su}(n)$基于李代数的PUNN($\mathfrak{su}(n)$-PUNN)、传统PINN以及$\mathfrak{su}(n)$基于李代数的PINN($\mathfrak{su}(n)$-PINN),我们指出了传统方法的局限性,并展示了我们方法在学习量子耗散动力学中的优越准确性、鲁棒性和效率。
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