Skaičiavimo perspektyva dėl Nobelio premijos


Skaičiavimo mokslo bendruomenės indėlis į Nobelio premijas chemijos ir fizikos srityje užima svarbiausią šio mėnesio „Focus“ numerį.

Kiekvienais metais, artėjant spaliui, mokslo bendruomenę krečia jaudulys ir spėlionės apie naujausių Nobelio premijos laureatų paskelbimą. Atkreipdama dėmesį į darbą, kuris atnešė „didžiausią naudą žmonijai“, Nobelio premija niekada neįkvepia visų sričių mokslininkų ir sužadina aistrą tyrimams ir mokslo pažangai. Skaičiavimo mokslininkams šis įkvėpimas gali būti įvairių formų, nes skaičiavimo priemonių taikymo galimybių sfera ir toliau auga.

Kreditas: zhencong chen / Alamy Standartinė nuotrauka

Praėjusiais metais mes pažvelgė atgal Nobelio premijos istorijoje ir paklausė, kaip skaičiavimo mokslas tiesiogiai ir netiesiogiai paveikė anksčiau apdovanotas temas, taip pat kaip tai buvo aiškiai pripažinta apdovanojimais. Šiame Fokusavimo problema, mes pratęsėme šias diskusijas pokalbyje su įvairiais ekspertais, įskaitant Nobelio premijos laureatus, mokslininkus, anksčiau dirbusius su Nobelio premijos laureatais, ir Nobelio premijos komiteto nariu, siekdami ne tik pasidžiaugti skaičiavimo mokslo įnašų į chemijos sritis įvairove. ir fizika, bet ir toliau žvelgti į ateitį ir į mūsų laukiančius iššūkius. Nors daugelis įtakingų modelių buvo pripažinti Nobelio premija, čia mes sutelkiame dėmesį į indėlį, dėl kurio esama teorija buvo praktiškai apskaičiuojama, o kartais tuo metu buvo tik ribota skaičiavimo galia.

Vienas iš apdovanojimų, kurį pabrėžiame, yra 1998 m. Nobelio chemijos premija, kuri pripažino du pradininkus kvantinės chemijos srityje: Walterį Kohną ir Johną Pople’ą. Kohnas buvo pripažintas už tankio funkcinės teorijos (DFT) kūrimą, o Pople buvo pripažintas už skaičiavimo metodų kūrimą kvantinėje chemijoje. Praktiškai kalbant, Kohno darbas padarė kvantinius cheminius skaičiavimus įmanomus skaičiuoti. Pople kvantinės chemijos programinė įranga – Gauso – pakeitė skaičiavimo chemijos sritį, nes tyrėjams buvo suteikta galimybė teoriškai tirti molekules, jų savybes ir sąveiką, praktiškai ir efektyviai įgyvendinant Kohno DFT. Turėjome galimybę pasikalbėti su dviem tyrinėtojais, kurie praeityje dirbo su šiais Nobelio premijos laureatais ir kurie patys taip pat padarė didelę įtaką šiai sričiai: Lu Šamas ir Martinas Head-Gordonas.

Lu Sham glaudžiai bendradarbiavo su Kohnu dėl vadinamųjų Kohn-Sham lygčių, kurios pasiūlė supaprastintą požiūrį į kinetinės energijos aproksimaciją ir padarė DFT praktiškesniu įrankiu atsakant į medžiagų mokslo ir chemijos klausimus. Šis darbas labai prisidėjo prie Kohno Nobelio premijos, ir Sham nesitikėjo, kad tai bus tokia įtakinga, kai jie iš pradžių kūrė šią teoriją: „Iš pradžių nemaniau, kad ji taip žydės“, – pažymėjo Sham. per mūsų pokalbį su juo. Iš tiesų, jų darbas buvo svarbus, esminis indėlis į mokslo bendruomenę, todėl dar reikia išspręsti daug iššūkių. Pavyzdžiui, vienas iš tokių iššūkių yra DFT metodų naudojimas kvantinėse medžiagose ir stipriai susijusiose sistemose. A komentuoti Alex Zunger išsamiau aptaria šį iššūkį, taip pat potencialą ir galimybes įveikti atotrūkį tarp DFT ir kvantinių medžiagų.

Martinas Head-Gordonas, kurį mokydamas daktaro laipsnį vadovavo Pople, yra žinomas chemijos srityje dėl savo darbo DFT ir tankio funkcionalumo srityje, taip pat už indėlį kuriant Gauso ir vėliau, Q-Chem. Head-Gordon karjerai didelę įtaką turėjo laikas, kai jis dirbo su Pople: „Jis man padarė didžiausią mokslinę įtaką“, pareiškė Galva-Gordonas. Šiandien Gaussian ir Q-Chem vis dar yra du plačiausiai naudojami komerciškai prieinami kvantinės chemijos programinės įrangos paketai. „Q-Chem“ dar yra daug neišnaudotų horizontų, kuriuos reikia ištirti, kaip aptarė Head-Gordon: „Įvairiais būdais pereiname prie sudėtingesnių sistemų, o kaip savo pagrindinę misiją siekiame tobulinti pagrindinius algoritmus.

Šiame „Focus“ numeryje taip pat pabrėžiame 2013 m. Nobelio chemijos premija, kuri pripažino Ariehą Warshelą, Michaelą Levittą ir Martiną Karplusą už jų sudėtingų cheminių sistemų daugialypių modelių kūrimą. Kvantinės mechanikos / molekulinės mechanikos (QM / MM) metodų sukūrimas leido šios srities mokslininkams tiksliai modeliuoti dideles sistemas skaičiavimo būdu. Kalbėjomės su Seminaras ir aptarė savo dabartinius tyrimus, taip pat kai kuriuos iššūkius, su kuriais jis susidūrė savo mokslininko karjeroje. Pavyzdžiui, jis pažymėjo, kad buvo sunku „įtikinti žmones, kad kompiuteriai yra vienintelis būdas tiksliai suprasti, kaip veikia fermentai“. Nepaisant to, Warshel, Levitt ir Karplus darbai tapo plačiai pripažinti mokslininkų bendruomenės: „Visuomenę gana greitai sužavėjo paprasta mintis atskirti QM ir MM, o ne būdas tai padaryti tiksliau“, – sakė Warshel. Iš tiesų, šis paprastumas padėjo QM/MM metodams išlikti nepakeičiamiems įvairių disciplinų skaičiavimo mokslininkams.

Šiame numeryje taip pat aptariamas svarbus skaičiavimo mokslo bendruomenės indėlis į fizikos sritį. Turėjome galimybę pasikalbėti su Saulius Perlmutterisa 2011 m. Nobelio fizikos premijos laureatas. Perlmutteris gavo Nobelio premiją už spartėjančio Visatos plėtimosi atradimą stebint tolimas supernovas. Dalis darbo apėmė dešimčių tūkstančių galaktikų identifikavimą iš plataus lauko vaizdų ir tada supernovų atsiradimo šiose galaktikose identifikavimą. Kaip aptarė Perlmutteris Gamtos skaičiavimo mokslas, „Tai buvo tobulas darbas kompiuteriui“. Darbas pareikalavo didelio skaičiavimo meistriškumo, o Perlmutterio laikas negalėjo būti geresnis: „Technologiniu požiūriu tai buvo tinkamas laikas“, – tvirtino Perlmutteris. „Skaičiavimo technologija buvo tokia pagrindinė šio darbo dalis.

Visai neseniai, 2021 m., Nobelio premija pripažino Giorgio Parisi, Syukuro Manabe ir Klaus Hasselmann už jų darbą, skirtą suprasti sudėtingas fizines sistemas, tokias kaip Žemės klimatas, ir padaryti jas praktiškai apskaičiuojamas. Turėjome galimybę pasikalbėti su Nobelio fizikos komiteto nariu, Džonas Vettlauferis, kuris pažvelgė už Nobelio komiteto sprendimo uždangos ir aptarė, kaip išsiskyrė jų indėlis. Siekdamas toliau tobulinti šią sritį ir spręsti su klimato kaita susijusius iššūkius, Wettlauferis atkreipė dėmesį, kad skaičiavimo tikslas turėtų būti sutelktas į duomenis ir duomenimis pagrįstus metodus, kuriems reikalingas daugiadalykinis bendradarbiavimas: „Tai skamba kaip klišė, bet iš tikrųjų taip nėra. dirbti, jei žmonės nekalba vieni kitų kalbomis“, – pažymėjo Wettlauferis. A komentuoti Mojib Latif taip pat aptaria vykstančius iššūkius ir tai, kaip pažangi Žemės sistema ir pasauliniai klimato modeliai gali toliau atsakyti į aktualius klausimus, siekiant sumažinti antropogeninį poveikį klimato kaitai ir visuotiniam atšilimui.

Kiti Nobelio premijos apdovanojimai galėjo tiesiogiai nepripažinti skaičiavimo mokslo bendruomenės indėlio, tačiau jų atitinkami tyrimai buvo labai praturtinti skaičiavimais, pavyzdžiui, 2020 m. Nobelio chemijos premija, kuri pagerbė Emmanuelle Charpentier ir Jennifer Doudna už genomo redagavimo metodo sukūrimą naudojant CRISPR-Cas9 genetines žirkles. A komentuoti Lei Stanley Qi, kuris Doudna buvo vienas iš savo akademinių patarėjų doktorantūros studijų metu, aptaria, kaip skaičiavimo analizė padėjo atrasti CRISPR sistemas, suprasdama CRISPR generinio imuniteto virusinei infekcijai funkciją ir kaip skaičiavimo mokslas įgalina tolesnį CRISPR. kaip genomo redagavimo įrankis.

Įdomu tai, kad šiuose pokalbiuose ir kūriniuose buvo aptariamos kelios bendros temos. Viena iš pasikartojančių pranešimų buvo a eksperimentalistų ir teoretikų bendradarbiavimas. Pavyzdžiui, Sham teigė, kad DFT gali būti naudojamas kaip pirmasis bandymas tolesniam eksperimentiniam darbui vadovauti, o Perlmutteris pažymėjo, kad eksperimentai ir stebėjimai padėjo sustiprinti skaičiavimo prognozes jo srityje. Tačiau, kaip pažymėjo Head-Gordon, nors grįžtamojo ryšio ciklas tarp teorijos ir eksperimentavimo yra svarbus, jis neapsieina be iššūkių, pavyzdžiui, stengiantis kuo labiau užtikrinti, kad tai, kas modeliuojama, būtų matoma ir eksperimentiškai. Kitas pasikartojantis pranešimas buvo svarba daugiadisciplininiai tyrimaiPavyzdžiui, Wettlaufer atkreipė dėmesį į tai, kad norint maksimaliai išnaudoti duomenimis pagrįstus klimato tyrimus, būtinas daugiadisciplinis bendradarbiavimas, o Qi pažymėjo, kad kitose srityse sukurti skaičiavimo įrankiai, pavyzdžiui, baltymų struktūros numatymo algoritmai, galėtų gerokai padidinti CRISPR technologijos potencialą. . Šie bendri šio numerio diskusijų bruožai rodo, kad nepaisant to, kad čia paryškinti indėliai yra iš skirtingų sričių ir yra įvairaus pobūdžio (nuo modeliavimo ir teorijos iki programinės įrangos kūrimo), jie visi turi susijusių savybių ir susiduria su panašiais iššūkiais, kurie atspindi kompiuterinių mokslų tyrimų pobūdis.

Laukdami 2022 m. Nobelio premijos paskelbimo, kuris vyks spalio 3–10 d., kviečiame susipažinti su mūsų Fokusavimo problema ir daugybė pokalbių bei komentarų apie tai, kaip skaičiavimo mokslo indėlis suformavo mokslą ir atvėrė kelią būsimai raidai.