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18.02.2026 16:26
Mithilfe des Maschinellen Lernens zentrales Problem der Quantenchemie gelöst
Mit dem Einsatz neuer Methoden des Maschinellen Lernens in der quantenchemischen Forschung haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg einen bedeutenden Fortschritt für die computergestützte Chemie erzielt: Ihnen gelang ein entscheidender Durchbruch bei einem seit Jahrzehnten ungelösten Problem der Quantenchemie – der genauen und stabilen Berechnung von Molekülenergien und Elektronendichten in einem sogenannten orbitalfreien Ansatz, der mit einem deutlich reduzierten Rechenaufwand verbunden ist und damit auch Berechnungen für sehr große Moleküle ermöglicht.
Pressemitteilung
Heidelberg, 18. Februar 2026
Mithilfe des Maschinellen Lernens zentrales Problem der Quantenchemie gelöst
Orbitalfreier Ansatz ermöglicht präzise, stabile und physikalisch sinnvolle Berechnung von Molekülenergien und Elektronendichten
Mit dem Einsatz neuer Methoden des Maschinellen Lernens in der quantenchemischen Forschung haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg einen bedeutenden Fortschritt für die computergestützte Chemie erzielt: Ihnen gelang ein entscheidender Durchbruch bei einem seit Jahrzehnten ungelösten Problem der Quantenchemie – der genauen und stabilen Berechnung von Molekülenergien und Elektronendichten in einem sogenannten orbitalfreien Ansatz, der mit einem deutlich reduzierten Rechenaufwand verbunden ist und damit auch Berechnungen für sehr große Moleküle ermöglicht. Im Exzellenzcluster STRUCTURES haben dazu zwei Forschungsteams des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) ein lange als unzuverlässig geltendes Rechenverfahren so weiterentwickelt, dass es präzise Ergebnisse liefert und zuverlässig eine physikalisch sinnvolle Lösung findet.
Wie Elektronen in einem Molekül verteilt sind, bestimmt dessen chemische Eigenschaften – von der Stabilität über die Reaktivität bis hin zur biologischen Wirkung. Diese Elektronenverteilung und die daraus resultierende Energie zuverlässig zu berechnen, ist eine der zentralen Aufgaben der Quantenchemie. Solche Berechnungen bilden die Grundlage für viele Anwendungen, bei denen Moleküle gezielt verstanden und gestaltet werden sollen, etwa für neue Wirkstoffe, bessere Batterien, Materialien für die Energieumwandlung oder effizientere Katalysatoren. Sie sind jedoch rechenintensiv und werden schnell sehr aufwändig. Je größer ein Molekül wird oder je mehr Varianten geprüft werden sollen, desto eher stoßen etablierte Rechenverfahren an Grenzen. Hier setzt das an der Schnittstelle von Chemie, Physik und KI-Forschung angesiedelte Projekt „Quantenchemie ohne Wellenfunktion“ an.
In der Quantenchemie werden Moleküle häufig mit der sogenannten Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Sie ermöglicht die grundlegende Vorhersage chemischer Moleküleigenschaften, ohne die quantenmechanische Wellenfunktion berechnen zu müssen. Stattdessen wird die Elektronendichte als zentrale Größe verwendet – eine Vereinfachung, die Berechnungen überhaupt erst praktikabel macht. Dieser orbitalfreie Ansatz verspricht besonders effiziente Rechnungen, galt bislang jedoch als praktisch kaum nutzbar, da kleine Abweichungen in der Elektronendichte zu instabilen oder „unphysikalischen“ Ergebnissen führten. Die Heidelberger Methode löst dieses Präzisions- und Stabilitätsproblem erstmals für viele unterschiedliche organische Moleküle mithilfe von Methoden des Maschinellen Lernens.
Das neue Verfahren mit dem Namen STRUCTURES25 beruht auf einem speziell entwickelten neuronalen Netz, das die Beziehung zwischen Elektronendichte und Energie direkt aus genauen Referenzrechnungen lernt und dafür die chemische Umgebung jedes einzelnen Atoms in einem mathematisch detaillierten Abbild erfasst. Entscheidend ist dabei ein neuartiges Trainingskonzept: Das Modell wurde nicht nur mit konvergierten Elektronendichten trainiert, sondern auch mit vielen Varianten rund um die korrekte Lösung herum – erzeugt durch gezielte, kontrollierte Veränderungen in den zugrunde liegenden Referenzrechnungen. Damit ist dieses Rechenverfahren in der Lage, auch bei kleinen Abweichungen zuverlässig zu einer physikalisch sinnvollen Lösung für Molekülenergien und Elektronendichten zu finden. Es bleibt stabil, ohne sich in der Rechnung zu „verirren“, wie die Heidelberger Wissenschaftler betonen.
In Tests an einer großen und vielfältigen Sammlung organischer Moleküle erreicht STRUCTURES25 eine Genauigkeit, die sich mit etablierten Referenzrechnungen messen kann und zeigt dabei erstmals eine stabile Konvergenz im orbitalfreien Ansatz. Die Leistungsfähigkeit der Methode wurde dabei nicht nur an kleinen Beispielen demonstriert, sondern auch an deutlich größeren, „wirkstoffähnlichen“ Molekülen getestet. Erste Laufzeitvergleiche belegen, dass das Rechenverfahren mit wachsender Molekülgröße günstiger skalieren und damit die Schnelligkeit bei der Berechnung steigern kann. Damit rücken Rechnungen in Reichweite, die bisher als zu aufwändig galten.
„Orbitalfreie Dichtefunktionaltheorie war lange das Versprechen, schneller rechnen zu können – aber bitte nicht auf Kosten der Physik“, sagt Prof. Dr. Fred Hamprecht, der am IWR die Forschungsgruppe „Wissenschaftliche Künstliche Intelligenz“ leitet. „Mit STRUCTURES25 zeigen wir erstmals, dass bei der Berechnung beides zusammengeht: chemisch genaue Energien und eine stabile, sinnvolle Optimierung der Elektronendichte.“ Prof. Dr. Andreas Dreuw, Leiter der IWR-Gruppe „Theoretische und Computergestützte Chemie“, ergänzt: „Dass die Optimierung nicht mehr instabil wird, ist ein entscheidender Schritt für deutlich schnellere Vorhersagen bei hoher Genauigkeit. Damit kommen Simulationen in Reichweite, die mit klassischen Verfahren nur eingeschränkt möglich sind, wenn zum Beispiel viele Konfigurationen oder sehr große Moleküle untersucht werden sollen.“
Grundlage der Arbeiten war die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit der Forschungsgruppen innerhalb des Exzellenzclusters „STRUKTUREN: Emergenz in Natur, Mathematik und komplexen Daten“ an der Universität Heidelberg. Hier untersuchen Forscherinnen und Forscher verschiedener Disziplinen, wie Strukturen entstehen, wie sie sich in großen Datensätzen aufspüren lassen und welchen Nutzen dies für Wissenschaft und Technik bietet. Die Forschungsarbeiten wurden zusätzlich zum Exzellenzcluster im Rahmen des Wildcard-Programms der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. Damit unterstützt die Stiftung besonders innovative und wagemutige Projekte. Die Ergebnisse sind im „Journal of the American Chemical Society“ erschienen.
Bilderläuterung:
Kann Quantenchemie ohne Orbitale funktionieren? Tatsächlich ermöglicht Maschinelles Lernen erstmals eine stabile Konvergenz orbitalfreier Dichtefunktionaltheorie und eröffnet damit das Potenzial für deutlich schnellere Vorhersagen bei hoher Genauigkeit. Die Abbildung illustriert schematisch den Übergang von einer wellenfunktionsbasierten Beschreibung (ψ) zu einer orbitalfreien Darstellung, in der die Energie (E) aus der Elektronendichte (ρ) errechnet wird. Alle grafischen Elemente – mit Ausnahme der Pfeile und des Piktogramms – basieren auf realen Berechnungsergebnissen.
Gestaltung: Virginia Lenk
Kontakt:
Universität Heidelberg
Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Fred Hamprecht
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Telefon (06221) 54-14833
fred.hamprecht@iwr.uni-heidelberg.de
Prof. Dr. Andreas Dreuw
Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Telefon (06221) 54-14735
dreuw@uni-heidelberg.de
Originalpublikation:
R. Remme, T. Kaczun, T. Ebert, C.A. Gehrig, D. Geng, G. Gerhartz, M.K. Ickler, M.V. Klockow, P. Lippmann, J.S. Schmidt, S. Wagner, A. Dreuw, F.A. Hamprecht: Stable and Accurate Orbital-Free Density Functional Theory Powered by Machine Learning. Journal of the American Chemical Society 2025 147 (32), 28851-28859, DOI: 10.1021/jacs.5c06219
Weitere Informationen:
https://structures.uni-heidelberg.de – Exzellenzcluster STRUCTURES
https://www.iwr.uni-heidelberg.de – Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen
Bilder
Kann Quantenchemie ohne Orbitale funktionieren? Ausführliche Bilderläuterung im Text.
Quelle: Gestaltung: Virginia Lenk
Copyright: Universität Heidelberg / IWR
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Informationstechnik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
