与更苛刻但准确的相关波函数理论相比，由于其成本准确性的权衡，近似密度功能理论（DFT）已成为必不可少的。然而，迄今为止，尚未确定具有通用精度的单个密度函数近似（DFA），从而导致DFT产生的数据质量的不确定性。通过电子密度拟合和转移学习，我们构建了DFA推荐使用者，该DFA选择以系统特异性方式相对于黄金标准但过度良好的耦合群集理论的DFA。我们在垂直旋转分解能量评估中证明了这种推荐的方法，用于具有挑战性的过渡金属复合物。我们的推荐人可以预测表现最佳的DFA，并产生出色的精度（约2 kcal/mol），可用于化学发现，表现优于单个传递学习模型和一组48 dFA中的单个最佳功能。我们证明了DFA推荐剂对具有独特化学的实验合成化合物的可传递性。
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适当地识别和处理具有显着多参考（MR）特征的分子和材料对于在虚拟高通量筛选（VHT）中实现高数据保真度至关重要。然而，使用单一功能的近似密度泛函理论（DFT）进行大多数VHT。尽管发展了许多MR诊断，但这种诊断的单一价值的程度表明了对化学性质预测的MR效应不是很好的。我们评估超过10,000个过渡金属配合物（TMC）的MR诊断方法，并与有机分子中的那些进行比较。我们透露，只有一些MR诊断程序可在这些材料空间上转移。通过研究MR特征对涉及多个潜在能量表面的化学性质（即，MR效应）的影响（即绝热自旋分裂，$ \ DELTA E_ \ MATHRM {HL} $和电离潜力，IP），我们观察到这一点先生效应的取消超过积累。 MR特征的差异比预测物业预测中MR效应的先生特征的总程度更重要。通过这种观察，我们建立转移学习模型，直接预测CCSD（T）-Level绝热$ \ Delta e_ \ Mathrm {H-L} $和IP从较低的理论。通过将这些模型与不确定量化和多级建模相结合，我们引入了一种多管策略，可将数据采集加速至少三个，同时实现鲁棒VHT的化学精度（即1 kcal / mol）。
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机器学习（ML）加速化学发现的两个突出挑战是候选分子或材料的合成性以及ML模型训练中使用的数据的保真度。为了应对第一个挑战，我们构建了一个假设的设计空间，为3250万转型金属复合物（TMC），其中所有组成片段（即金属和配体）和配体对称性都可以合成。为了应对第二项挑战，我们在雅各布梯子的多个梯级之间的23个密度功能近似之间搜索预测的共识。为了加快这3250万TMC的筛选，我们使用有效的全局优化来样本候选低自旋发色团，同时具有低吸收能和低静态相关性。尽管在这个大化的化学空间中的潜在发色团缺乏（即$ <$ 0.01 \％），但随着ML模型在积极学习过程中的改善，我们确定了高可能性（即$> $ 10 \％）的过渡金属发色团（即$> $ 10 \％）。这代表发现的1,000倍加速度，与几天而不是几年中的发现相对应。对候选发色团的分析揭示了对CO（III）和具有更大键饱和度的大型强野配体的偏爱。我们根据时间依赖性密度功能理论计算计算帕累托前沿上有希望的发色团的吸收光谱，并验证其中三分之二是否需要激发态特性。尽管这些复合物从未经过实验探索，但它们的组成配体在文献中表现出有趣的光学特性，体现了我们构建现实的TMC设计空间和主动学习方法的有效性。
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计算催化和机器学习社区在开发用于催化剂发现和设计的机器学习模型方面取得了长足的进步。然而，跨越催化的化学空间的一般机器学习潜力仍然无法触及。一个重大障碍是在广泛的材料中获得访问培训数据的访问。缺乏数据的一类重要材料是氧化物，它抑制模型无法更广泛地研究氧气进化反应和氧化物电催化。为了解决这个问题，我们开发了开放的催化剂2022（OC22）数据集，包括62,521个密度功能理论（DFT）放松（〜9,884,504个单点计算），遍及一系列氧化物材料，覆盖范围，覆盖率和吸附物（ *H， *o， *o， *o， *o， *o， * n， *c， *ooh， *oh， *oh2， *o2， *co）。我们定义广义任务，以预测催化过程中适用的总系统能量，发展几个图神经网络的基线性能（Schnet，Dimenet ++，Forcenet，Spinconv，Painn，Painn，Gemnet-DT，Gemnet-DT，Gemnet-OC），并提供预先定义的数据集分割以建立明确的基准，以实现未来的努力。对于所有任务，我们研究组合数据集是否会带来更好的结果，即使它们包含不同的材料或吸附物。具体而言，我们在Open Catalyst 2020（OC20）数据集和OC22上共同训练模型，或OC22上的微调OC20型号。在最一般的任务中，Gemnet-OC看到通过微调来提高了约32％的能量预测，通过联合训练的力预测提高了约9％。令人惊讶的是，OC20和较小的OC22数据集的联合培训也将OC20的总能量预测提高了约19％。数据集和基线模型是开源的，公众排行榜将遵循，以鼓励社区的持续发展，以了解总能源任务和数据。
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光活性虹膜复合物的应用广泛，因为它们的应用从照明到光催化。但是，从精确度和计算成本的角度来看，这些复合物的激发状态性能预测挑战了从头开始方法，例如时间依赖性密度功能理论（TDDFT），使高吞吐量虚拟筛选（HTVS）复杂化。相反，我们利用低成本的机器学习（ML）模型来预测光活性虹膜复合物的激发状态特性。我们使用1,380个虹膜复合物的实验数据来训练和评估ML模型，并确定最佳和最可转移的模型，是从低成本密度功能理论紧密结合计算的电子结构特征训练的模型。使用这些模型，我们预测所考虑的三个激发态性能，即磷光的平均发射能，激发态寿命和发射光谱积分，具有具有或取代TDDFT的精度。我们进行特征重要性分析，以确定哪些虹膜复杂属性控制激发状态的特性，并通过明确的例子来验证这些趋势。为了证明如何将ML模型用于HTV和化学发现的加速度，我们策划了一组新型的假设虹膜络合物，并确定了新磷剂设计的有希望的配体。
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机器学习（ML） - 基卡化的发现需要大量的高保真数据来揭示预测结构性质关系。对于对材料发现的兴趣的许多性质，数据生成的具体性和高成本导致数据景观几乎没有人居住和可疑质量。开始克服这些限制的数据驱动技术包括在密度函数理论中使用共识，开发新功能或加速电子结构理论，以及检测到计算要求苛刻的方法是最必要的。当无法可靠地模拟属性时，大型实验数据集可用于培训ML模型。在没有手动策策的情况下，越来越复杂的自然语言处理和自动图像分析使得可以从文献中学习结构性质关系。在这些数据集上培训的模型将随着社区反馈而改善。
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电子密度$ \ rho（\ vec {r}）$是用密度泛函理论（dft）计算地面能量的基本变量。除了总能量之外，$ \ rho（\ vec {r}）$分布和$ \ rho（\ vec {r}）$的功能通常用于捕获电子规模以功能材料和分子中的关键物理化学现象。方法提供对$ \ rho（\ vec {r}）的可紊乱系统，其具有少量计算成本的复杂无序系统可以是对材料相位空间的加快探索朝向具有更好功能的新材料的逆设计的游戏更换者。我们为预测$ \ rho（\ vec {r}）$。该模型基于成本图形神经网络，并且在作为消息传递图的一部分的特殊查询点顶点上预测了电子密度，但仅接收消息。该模型在多个数据组中进行测试，分子（QM9），液体乙烯碳酸酯电解质（EC）和Lixniymnzco（1-Y-Z）O 2锂离子电池阴极（NMC）。对于QM9分子，所提出的模型的准确性超过了从DFT获得的$ \ Rho（\ vec {r}）$中的典型变异性，以不同的交换相关功能，并显示超出最先进的准确性。混合氧化物（NMC）和电解质（EC）数据集更好的精度甚至更好。线性缩放模型同时探测成千上万点的能力允许计算$ \ Rho（\ vec {r}）$的大型复杂系统，比DFT快于允许筛选无序的功能材料。
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分子或材料的电子密度最近作为机器学习模型的目标数量受到了主要关注。一种自然选择，用于构建可传递可转移和线性缩放预测的模型是使用类似于通常用于密度拟合近似值的常规使用的原子基础来表示标量场。但是，基础的非正交性对学习练习构成了挑战，因为它需要立即考虑所有原子密度成分。我们设计了一种基于梯度的方法，可以直接在优化且高度稀疏的特征空间中最大程度地减少回归问题的损失函数。这样，我们克服了与采用以原子为中心的模型相关的限制，以在任意复杂的数据集上学习电子密度，从而获得极为准确的预测。增强的框架已在32个液体水的32个周期细胞上进行测试，具有足够的复杂性，需要在准确性和计算效率之间取得最佳平衡。我们表明，从预测的密度开始，可以执行单个Kohn-Sham对角度步骤，以访问总能量组件，而总能量组件仅针对参考密度函数计算，而误差仅为0.1 MEV/ATOM。最后，我们测试了高度异构QM9基准数据集的方法，这表明训练数据的一小部分足以在化学精度内得出地面总能量。
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机器学习，特别是深度学习方法在许多模式识别和数据处理问题，游戏玩法中都优于人类的能力，现在在科学发现中也起着越来越重要的作用。机器学习在分子科学中的关键应用是通过使用密度函数理论，耦合群或其他量子化学方法获得的电子schr \“ odinger方程的Ab-Initio溶液中的势能表面或力场。我们回顾了一种最新和互补的方法：使用机器学习来辅助从第一原理中直接解决量子化学问题。具体来说，我们专注于使用神经网络ANSATZ功能的量子蒙特卡洛（QMC）方法，以解决电子SCHR \ “ Odinger方程在第一和第二量化中，计算场和激发态，并概括多个核构型。与现有的量子化学方法相比，这些新的深QMC方法具有以相对适度的计算成本生成高度准确的Schr \“ Odinger方程的溶液。
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对称考虑对于用于提供原子配置的有效数学表示的主要框架的核心，然后在机器学习模型中用于预测与每个结构相关的特性。在大多数情况下，模型依赖于以原子为中心的环境的描述，并且适合于学习可以分解成原子贡献的原子特性或全局观察到。然而，许多与量子机械计算相关的数量 - 最值得注意的是，以原子轨道基础写入时的单粒子哈密顿矩阵 - 与单个中心无关，但结构中有两个（或更多个）原子。我们讨论一系列结构描述符，以概括为N中心案例的非常成功的原子居中密度相关特征，特别是如何应用这种结构，以有效地学习（有效）单粒子汉密尔顿人的矩阵元素以原子为中心的轨道基础。这些N中心的特点是完全的，不仅在转换和旋转方面，而且还就与原子相关的指数的排列而言 - 并且适合于构建新类的对称适应的机器学习模型分子和材料的性质。
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分子照片开关是光激活药物的基础。关键的照片开关是偶氮苯，它表现出对光线的反式cis异构主义。顺式异构体的热半衰期至关重要，因为它控制着光诱导的生物学效应的持续时间。在这里，我们介绍了一种计算工具，用于预测偶氮苯衍生物的热半衰期。我们的自动化方法使用了经过量子化学数据训练的快速准确的机器学习潜力。在建立在良好的早期证据的基础上，我们认为热异构化是通过Intersystem Crossing介导的旋转来进行的，并将这种机制纳入我们的自动化工作流程。我们使用我们的方法来预测19,000种偶氮苯衍生物的热半衰期。我们探索障碍和吸收波长之间的趋势和权衡，并开源我们的数据和软件以加速光精神病学研究。
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Machine-learning models are increasingly used to predict properties of atoms in chemical systems. There have been major advances in developing descriptors and regression frameworks for this task, typically starting from (relatively) small sets of quantum-mechanical reference data. Larger datasets of this kind are becoming available, but remain expensive to generate. Here we demonstrate the use of a large dataset that we have "synthetically" labelled with per-atom energies from an existing ML potential model. The cheapness of this process, compared to the quantum-mechanical ground truth, allows us to generate millions of datapoints, in turn enabling rapid experimentation with atomistic ML models from the small- to the large-data regime. This approach allows us here to compare regression frameworks in depth, and to explore visualisation based on learned representations. We also show that learning synthetic data labels can be a useful pre-training task for subsequent fine-tuning on small datasets. In the future, we expect that our open-sourced dataset, and similar ones, will be useful in rapidly exploring deep-learning models in the limit of abundant chemical data.
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我们向高吞吐量基准介绍了用于材料和分子数据集的化学系统的多种表示的高吞吐量基准的机器学习（ML）框架。基准测试方法的指导原理是通过将模型复杂性限制在简单的回归方案的同时，在执行最佳ML实践的同时将模型复杂性限制为简单的回归方案，允许通过沿着同步的列车测试分裂的系列进行学习曲线来评估学习进度来评估原始描述符性能。结果模型旨在为未来方法开发提供通知的基线，旁边指示可以学习给定的数据集多么容易。通过对各种物理化学，拓扑和几何表示的培训结果的比较分析，我们介绍了这些陈述的相对优点以及它们的相互关联。
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可拍照的分子显示了可以使用光访问的两个或多个异构体形式。将这些异构体的电子吸收带分开是选择性解决特定异构体并达到高光稳态状态的关键，同时总体红色转移带来的吸收带可以限制因紫外线暴露而限制材料损害，并增加了光疗法应用中的渗透深度。但是，通过合成设计将这些属性工程为系统仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一条数据驱动的发现管道，用于由数据集策划和使用高斯过程的多任务学习支撑的分子照片开关。在对电子过渡波长的预测中，我们证明了使用来自四个Photoswitch转变波长的标签训练的多输出高斯过程（MOGP）产生相对于单任务模型的最强预测性能，并且在操作上超过了时间依赖时间依赖性的密度理论（TD） -dft）就预测的墙壁锁定时间而言。我们通过筛选可商购的可拍摄分子库来实验验证我们提出的方法。通过此屏幕，我们确定了几个图案，这些基序显示了它们的异构体的分离电子吸收带，表现出红移的吸收，并且适用于信息传输和光电学应用。我们的策划数据集，代码以及所有型号均可在https://github.com/ryan-rhys/the-photoswitch-dataset上提供
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这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。
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Deep learning models that leverage large datasets are often the state of the art for modelling molecular properties. When the datasets are smaller (< 2000 molecules), it is not clear that deep learning approaches are the right modelling tool. In this work we perform an extensive study of the calibration and generalizability of probabilistic machine learning models on small chemical datasets. Using different molecular representations and models, we analyse the quality of their predictions and uncertainties in a variety of tasks (binary, regression) and datasets. We also introduce two simulated experiments that evaluate their performance: (1) Bayesian optimization guided molecular design, (2) inference on out-of-distribution data via ablated cluster splits. We offer practical insights into model and feature choice for modelling small chemical datasets, a common scenario in new chemical experiments. We have packaged our analysis into the DIONYSUS repository, which is open sourced to aid in reproducibility and extension to new datasets.
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定量探索了量子化学参考数据的训练神经网络（NNS）预测的不确定性量化的价值。为此，适当地修改了Physnet NN的体系结构，并使用不同的指标评估所得模型，以量化校准，预测质量以及预测误差和预测的不确定性是否可以相关。 QM9数据库培训的结果以及分布内外的测试集的数据表明，错误和不确定性与线性无关。结果阐明了噪声和冗余使分子的性质预测复杂化，即使在发生变化的情况下，例如在两个原本相同的分子中的双键迁移 - 很小。然后将模型应用于互变异反应的真实数据库。分析特征空间中的成员之间的距离与其他参数结合在一起表明，训练数据集中的冗余信息会导致较大的差异和小错误，而存在相似但非特定的信息的存在会返回大错误，但差异很小。例如，这是对含硝基的脂肪族链的观察到的，尽管训练集包含了与芳香族分子结合的硝基组的几个示例，但这些预测很困难。这强调了训练数据组成的重要性，并提供了化学洞察力，以了解这如何影响ML模型的预测能力。最后，提出的方法可用于通过主动学习优化基于信息的化学数据库改进目标应用程序。
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分子动力学模拟是许多科学领域中的宝贵工具。但是，无处不在的经典力场无法描述反应性系统，量子分子动力学在计算上要求太大，无法处理大型系统或长时间尺度。基于物理或机器学习的反应力场可以在时间和长度尺度上弥合差距，但是这些力场需要大量努力来构建，并且对给定的化学组成和应用高度特异性。机器学习模型的一个重要局限性是使用特定于元素的功能，导致模型随着元素数量而缩小范围很差。这项工作介绍了高斯多极（GMP）特征化方案，该方案利用了原子周围电子密度的物理相关的多极膨胀，以产生特征向量，这些向量在元素类型之间插值并且具有固定尺寸，而不管存在的元素数量。我们将GMP与神经网络相结合，将其直接与MD17数据集的广泛使用的Beller-Parinello对称函数进行比较，从而表明它表现出提高的准确性和计算效率。此外，我们证明了基于GMP的模型可以实现QM9数据集的化学准确性，即使推断到新元素时，它们的准确性仍然是合理的。最后，我们测试了基于GMP的开放式催化项目（OCP）数据集的模型，揭示了与图形卷积深度学习模型相当的性能。结果表明，这种特征方案填补了有效且可转移的机器学习力场的构建方面的关键空白。
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实现一般逆设计可以通过用户定义的属性极大地加速对新材料的发现。然而，最先进的生成模型往往限于特定的组成或晶体结构。这里，我们提出了一种能够一般逆设计的框架（不限于给定的一组元件或晶体结构），其具有在实际和往复空间中编码晶体的广义可逆表示，以及来自变分的属性结构潜空间autoencoder（vae）。在三种设计情况下，该框架通过用户定义的形成能量，带隙，热电（TE）功率因数和组合产生142个新晶体。在训练数据库中缺席的这些生成的晶体通过第一原理计算验证。成功率（验证的第一原理验证的目标圆形晶体/数量的设计晶体）范围为7.1％和38.9％。这些结果表示利用生成模型朝着性质驱动的一般逆设计的重要步骤，尽管在与实验合成结合时仍然存在实际挑战。
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在多种重要应用中，获得电子系统的准确地面和低洼激发态至关重要。一种用于求解对大型系统缩放的Schr \“ Odinger方程的方法是变异量蒙特卡洛（QMC）。最近引入的深层QMC方法使用以深神经网络代表的Ansatzes，并生成几乎精确的分子解决方案的分子解决方案最多包含几十个电子，并有可能扩展到更大的系统，而其他高度准确的方法不可行。在本文中，我们扩展了一个这样的Ansatz（Paulinet）来计算电子激发态。我们在各种方法上演示了我们的方法小原子和分子，并始终达到低洼状态的高精度。为了突出该方法的潜力，我们计算了较大的苯分子的第一个激发态，以及乙烯的圆锥形交集，Paulinet匹配的结果更昂贵高级方法。
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