Multi-dimensional direct numerical simulation (DNS) of the Schr\"odinger equation is needed for design and analysis of quantum nanostructures that offer numerous applications in biology, medicine, materials, electronic/photonic devices, etc. In large-scale nanostructures, extensive computational effort needed in DNS may become prohibitive due to the high degrees of freedom (DoF). This study employs a reduced-order learning algorithm, enabled by the first principles, for simulation of the Schr\"odinger equation to achieve high accuracy and efficiency. The proposed simulation methodology is applied to investigate two quantum-dot structures; one operates under external electric field, and the other is influenced by internal potential variation with periodic boundary conditions. The former is similar to typical operations of nanoelectronic devices, and the latter is of interest to simulation and design of nanostructures and materials, such as applications of density functional theory. Using the proposed methodology, a very accurate prediction can be realized with a reduction in the DoF by more than 3 orders of magnitude and in the computational time by 2 orders, compared to DNS. The proposed physics-informed learning methodology is also able to offer an accurate prediction beyond the training conditions, including higher external field and larger internal potential in untrained quantum states.


翻译:在大型纳米结构中,由于高度自由(DoF),DNS所需的大量计算努力可能变得令人望而却步。这项研究采用了一种由第一条原则促成的减序学习算法,以模拟Schr\'odinger等式,实现高精确度和效率。拟议的模拟方法用于调查两个量子点结构;一个在外部电场下运行,另一个受定期边界条件下内部潜在变化的影响。前者与纳米电子设备的典型操作相似,后者对模拟和设计纳米结构和材料感兴趣,例如密度功能理论的应用。使用拟议方法,通过将DoF减少3个以上数量级和计算时间,实现非常准确的预测,比DNS减少2个数量级和计算时间。提议的物理学习方法还能够在培训条件之外提供更准确的外部预测,包括培训领域和更大的内部预测。

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