在人工智能快速发展的今天，我们正见证着一场材料科学的革命。麻省理工学院的研究人员近日开发出一项名为SCIGEN（结构约束集成生成模型）的创新技术，成功引导生成式AI模型创造出具有量子特性的新材料。这一突破性成果不仅解决了传统AI模型在创建具有超导性或独特磁状态等量子特性材料方面的局限性，更为量子计算等前沿领域开辟了全新可能性。
传统AI材料生成技术的局限
近年来，谷歌、微软和Meta等公司开发的生成式材料模型已经能够根据训练数据帮助研究人员设计数千万种新材料。然而，当涉及到设计具有量子特性的材料时，这些模型却显得力不从心。
"这些大公司的模型生成的材料都经过优化以确保稳定性，"麻省理工学院Mingda Li教授解释道，"我们的观点是，材料科学的进步通常不是这样实现的。我们不需要1000万种新材料来改变世界，我们只需要一种真正优秀的材料。"
这一局限性在量子自旋液体等材料的研究中尤为明显。这类材料有望彻底改变量子计算，经过十年研究，仅识别出十几种候选材料，严重制约了技术突破的可能性。
SCIGEN技术：精准引导AI创造量子材料
SCIGEN技术的核心在于为生成式AI模型设定特定设计规则或约束，引导模型创建能够产生量子特性的独特结构。这一技术基于扩散模型（diffusion models）的工作原理，通过在每一步生成过程中确保模型遵循用户定义的结构规则，从而生成符合特定几何模式的材料。
"AI扩散模型通过从训练数据集中采样来生成反映数据集中结构分布的结构，"研究人员解释道，"SCIGEN会阻止不符合结构规则的生成。"
研究人员将SCIGEN应用于名为DiffCSP的流行AI材料生成模型，并让该模型生成具有独特几何模式——阿基米德晶格（Archimedean lattices）的材料。这些晶格是由不同多边形组成的二维晶格平铺，能够产生一系列量子现象，一直是研究的热点。
"阿基米德晶格能够产生量子自旋液体和所谓的平坦能带，这些特性可以模拟稀土元素的性质，无需使用稀土元素，因此具有极高的技术重要性，"研究人员Cheng指出，"其他阿基米德晶格材料具有大孔洞，可用于碳捕获等应用，因此这是一类特殊材料。在某些情况下，还没有已知材料具有这种晶格结构，所以我认为找到第一个符合这种晶格结构的材料将非常有趣。"
从百万候选到实际合成
应用SCIGEN技术后，模型生成了超过1000万种具有阿基米德晶格的材料候选。其中100万种材料通过了稳定性筛选。研究人员利用橡树岭国家实验室的超级计算机，对其中26,000种材料进行了详细模拟，以了解材料底层原子的行为方式。他们发现其中41%的结构表现出磁性。
从这一子集中，研究人员在Xie和Cava的实验室中合成了两种先前未发现的化合物：TiPdBi和TiPbSb。随后的实验表明，AI模型的预测与实际材料的特性基本一致。
"我们希望通过融入已知能产生量子特性的结构来发现具有巨大潜力的新材料，"论文第一作者Okabe表示，"我们已经知道具有特定几何模式的材料很有趣，所以从这些材料开始是自然而然的。"
加速材料突破的潜力
量子自旋液体可能通过实现稳定、抗错误的量子比特来解锁量子计算，这些量子比特是量子操作的基础。然而，至今尚未确认任何量子自旋液体材料。Xie和Cava相信SCIGEN能够加速这些材料的搜索。
"人们正在大力搜索量子计算机材料和拓扑超导体，这些都与材料的几何模式有关，"Xie指出，"但实验进展非常非常缓慢，"Cava补充道，"许多这些量子自旋液体材料受到约束：它们必须在三角形晶格或kagome晶格中。如果材料满足这些约束，量子研究人员会感到兴奋；这是一个必要但不充分的条件。因此，通过生成许多这样的材料，它立即为实验科学家提供了数百甚至数千个候选材料，以加速量子计算机材料研究。"
"这项工作提出了一种新工具，利用机器学习预测哪些材料将在所需的几何模式中具有特定元素，"未参与研究的德雷塞尔大学教授Steve May评价道，"这应该加速开发以前未探索的材料，用于下一代电子、磁性或光学技术的应用。"
技术前景与挑战
研究人员强调，实验评估AI生成的材料是否能够合成以及其实际属性与模型预测的比较仍然至关重要。未来对SCIGEN的工作可能将额外的设计规则纳入生成模型，包括化学和功能约束。
"那些想要改变世界的人更关心材料的属性，而不是材料的稳定性和结构，"Okabe表示，"采用我们的方法后，稳定材料的比例会下降，但它为生成大量有前景的材料打开了大门。"
这项研究得到了美国能源部、国家能源研究科学计算中心、国家科学基金会和橡树岭国家实验室的部分支持。随着SCIGEN技术的不断发展和完善，我们有理由相信，它将在材料科学领域引发更多革命性突破，为量子计算、能源存储和转换等前沿领域带来全新可能性。
研究人员应用其技术生成了数百万种与量子特性相关的几何晶格结构候选材料。图中所示的kagome晶格可以支持创建可能对量子计算有用的材料。
