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凝聚态物理 > 强关联电子

arXiv:2504.20317 (cond-mat)
[提交于 2025年4月29日 ]

标题: 用于强关联体系的密度泛函的蚁群优化方法

标题: Ant Colony Optimization for Density Functionals in Strongly Correlated Systems

Authors:G. M. Tonin, T. Pauletti, R. M. Dos Santos, V. V. França
摘要: 蚁群优化(ACO)算法是一种受自然启发的元启发式方法,用于解决优化问题。 虽然本身不是一种机器学习方法,但ACO通常与机器学习模型结合使用,通过优化来提高性能。 我们适应一种ACO算法来优化所谓的FVC密度泛函,以获得强关联系统的基态能量。 我们找到能够最大化优化效率的参数配置,同时减少ACO泛函的平均相对误差($MRE$)。 然后我们分析算法在不同维度($1D-5D$)下的性能,这些维度与FVC泛函中需要优化的参数数量有关。 我们的结果表明,具有优于$0.2$的信息素蒸发率的$15$只蚂蚁就足以在强关联系统的大范围参数——相互作用、粒子密度和自旋磁化——下最小化$MRE$。 虽然优化$1D$、$2D$和$4D$产生$1.5\%< MRE< 2.7\%$,但$3D$和$5D$优化将$MRE$降低到$\sim0.8\%$,与原始 FVC 泛函 ($MRE = 2.4\%$) 相比,反映了$67\%$的误差减少。 随着模拟时间几乎与维度线性增长,我们的结果突显了蚁群算法在密度泛函问题中的潜力,结合了有效性与低计算成本。
摘要: The Ant Colony Optimization (ACO) algorithm is a nature-inspired metaheuristic method used for optimization problems. Although not a machine learning method per se, ACO is often employed alongside machine learning models to enhance performance through optimization. We adapt an ACO algorithm to optimize the so-called FVC density functional for the ground-state energy of strongly correlated systems. We find the parameter configurations that maximize optimization efficiency, while reducing the mean relative error ($MRE$) of the ACO functional. We then analyze the algorithm's performance across different dimensionalities ($1D-5D$), which are related to the number of parameters to be optimized within the FVC functional. Our results indicate that $15$ ants with a pheromone evaporation rate superior to $0.2$ are sufficient to minimize the $MRE$ for a vast regime of parameters of the strongly-correlated system -- interaction, particle density and spin magnetization. While the optimizations $1D$, $2D$, and $4D$ yield $1.5\%< MRE< 2.7\%$, the $3D$ and $5D$ optimizations lower the $MRE$ to $\sim0.8\%$, reflecting a $67\%$ error reduction compared to the original FVC functional ($MRE = 2.4\%$). As simulation time grows almost linearly with dimension, our results highlight the potential of ant colony algorithms for density-functional problems, combining effectiveness with low computational cost.
评论: 7页,3图
主题: 强关联电子 (cond-mat.str-el) ; 计算物理 (physics.comp-ph); 数据分析、统计与概率 (physics.data-an)
引用方式: arXiv:2504.20317 [cond-mat.str-el]
  (或者 arXiv:2504.20317v1 [cond-mat.str-el] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.20317
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Tatiana Pauletti [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 4 月 29 日 00:06:54 UTC (711 KB)
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