我们描述了与全球结构搜索方法结合使用的局部替代模型。该模型遵循高斯近似电势（GAP）形式主义，并基于原子位置描述符的平滑重叠，而使用Mini Batch $ K $ -MEANS则减少了本地环境的稀疏性。该模型是在原子全局优化X框架中实现的，并用作盆地跳结构搜索中局部放松的部分替代。该方法对于多种原子系统（包括分子，纳米颗粒，表面支撑的簇和表面薄膜）来说是可靠的。展示了本地替代模型的结构搜索环境中的好处。这包括从较小的系统转移学习的能力，以及执行并发多层计量搜索的可能性。

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.

Computational catalysis is playing an increasingly significant role in the design of catalysts across a wide range of applications. A common task for many computational methods is the need to accurately compute the minimum binding energy - the adsorption energy - for an adsorbate and a catalyst surface of interest. Traditionally, the identification of low energy adsorbate-surface configurations relies on heuristic methods and researcher intuition. As the desire to perform high-throughput screening increases, it becomes challenging to use heuristics and intuition alone. In this paper, we demonstrate machine learning potentials can be leveraged to identify low energy adsorbate-surface configurations more accurately and efficiently. Our algorithm provides a spectrum of trade-offs between accuracy and efficiency, with one balanced option finding the lowest energy configuration, within a 0.1 eV threshold, 86.63% of the time, while achieving a 1387x speedup in computation. To standardize benchmarking, we introduce the Open Catalyst Dense dataset containing nearly 1,000 diverse surfaces and 87,045 unique configurations.

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。

Data-driven interatomic potentials have emerged as a powerful class of surrogate models for {\it ab initio} potential energy surfaces that are able to reliably predict macroscopic properties with experimental accuracy. In generating accurate and transferable potentials the most time-consuming and arguably most important task is generating the training set, which still requires significant expert user input. To accelerate this process, this work presents \text{\it hyperactive learning} (HAL), a framework for formulating an accelerated sampling algorithm specifically for the task of training database generation. The key idea is to start from a physically motivated sampler (e.g., molecular dynamics) and add a biasing term that drives the system towards high uncertainty and thus to unseen training configurations. Building on this framework, general protocols for building training databases for alloys and polymers leveraging the HAL framework will be presented. For alloys, ACE potentials for AlSi10 are created by fitting to a minimal HAL-generated database containing 88 configurations (32 atoms each) with fast evaluation times of <100 microsecond/atom/cpu-core. These potentials are demonstrated to predict the melting temperature with excellent accuracy. For polymers, a HAL database is built using ACE, able to determine the density of a long polyethylene glycol (PEG) polymer formed of 200 monomer units with experimental accuracy by only fitting to small isolated PEG polymers with sizes ranging from 2 to 32.

我们开发了一种组合量子蒙特卡罗的准确性在描述与机器学习电位（MLP）的效率描述电子相关性的技术。我们使用内核线性回归与肥皂（平滑的重叠原子位置）方法结合使用，以非常有效的方式在此实现。关键成分是：i）一种基于最远点采样的稀疏技术，确保我们的MLP的一般性和可转换性和II）所谓的$ \ Delta $ -Learning，允许小型训练数据集，这是一种高度准确的基本属性但是计算地要求计算，例如基于量子蒙特卡罗的计算。作为第一个应用，我们通过强调这一非常高精度的重要性，展示了高压氢气液体过渡的基准研究，并显示了我们的MLP的高精度的重要性，实验室在实验中难以进行实验，以及实验理论仍然远非结论。

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。

数据驱动的机器学习方法有可能显着加速材料设计的速率，而不是传统的人类指导方法。这些方法将有助于识别或在生成模型的情况下，甚至可以创建具有一组指定功能特性的新型材料结构，然后在实验室中合成或隔离。对于晶体结构的产生，关键的瓶颈在于为机器学习模型开发合适的原子结构指纹或表示，类似于分子生成中使用的基于图或微笑的表示。但是，找到对翻译，旋转和排列不变的数据有效表示，而笛卡尔原子坐标仍然是可逆的，仍然是一个持续的挑战。在这里，我们通过采用具有所需的不变的现有的不可糊化表示并开发算法来通过使用自动分化的基于梯度的优化来重建原子坐标，从而提出了一种替代方法。然后，可以将其与生成机器学习模型耦合，该模型在表示空间内生成新材料，而不是在数据范围内的笛卡尔空间中生成新材料。在这项工作中，我们使用以原子为中心的对称函数来实现这种端到端的结构生成方法，作为表示和条件变化自动编码器作为生成模型。我们能够成功地生成亚纳米PT纳米颗粒的新颖和有效的原子结构，作为概念证明。此外，该方法可以很容易地扩展到任何合适的结构表示形式，从而为基于结构的生成提供了强大的，可推广的框架。

基于原子量表的材料建模在新材料的发展及其特性的理解中起着重要作用。粒子模拟的准确性由原子间电位确定，该电位允许计算原子系统的势能作为原子坐标和潜在的其他特性的函数。基于原理的临界电位可以达到任意水平的准确性，但是它们的合理性受其高计算成本的限制。机器学习（ML）最近已成为一种有效的方法，可以通过用经过电子结构数据培训的高效替代物代替昂贵的模型来抵消Ab始于原子电位的高计算成本。在当前大量方法中，符号回归（SR）正在成为一种强大的“白盒”方法，以发现原子质潜力的功能形式。这项贡献讨论了符号回归在材料科学（MS）中的作用，并对当前的方法论挑战和最新结果提供了全面的概述。提出了一种基于遗传编程的方法来建模原子能（由原子位置和相关势能的快照组成），并在从头算电子结构数据上进行了经验验证。

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。

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。

机器学习方法有可能以计算有效的方式近似于原子模拟的密度功能理论（DFT），这可能会大大增加计算模拟对现实世界问题的影响。但是，它们受到其准确性和生成标记数据的成本的限制。在这里，我们提出了一个在线主动学习框架，该框架通过合并了开放催化剂项目的大规模预训练的图形神经网络模型，通过合并了先前的物理信息，从而有效，准确地加速了原子系统的模拟。加速这些模拟使有用的数据更便宜地生成，从而可以训练更好的模型，并可以筛选更多的原子系统。我们还提出了一种基于其速度和准确性比较局部优化技术的方法。 30基准测试吸附剂催化剂系统的实验表明，我们的转移学习方法以预先训练模型合并先前的信息通过将DFT计算的数量减少91％，从而加速模拟，同时达到0.02 EV的准确性阈值93％。 。最后，我们展示了一种技术，用于利用VAS中内置的交互式功能，以在我们的在线活动框架内有效地计算单点计算，而无需大量启动成本。这使VASP与我们的框架同时起作用，同时需要比常规的单点计算要少75％。在GitHub的开源Finetuna软件包中可用在线主动学习实现以及使用VASP交互式代码的示例。

由于控制结构特性关系的分子间相互作用的微妙平衡，预测由分子构建块形成的晶体结构的稳定性是一个高度非平凡的科学问题。一种特别活跃和富有成果的方法涉及对相互作用的化学部分的不同组合进行分类，因为了解不同相互作用的相对能量可以使分子晶体的设计和微调其稳定性。尽管这通常是基于对已知晶体结构中最常见的基序的经验观察进行的，但我们建议采用有监督和无监督的机器学习技术的组合来自动化分子构建块的广泛库。我们介绍了一个针对有机晶体的结合能量预测的结构描述符，并利用以原子为中心的性质来获得对不同化学基团对晶体晶格能量的贡献的数据驱动评估。然后，我们使用结构 - 能量景观的低维表示来解释该库，并讨论可以从本分析中提取的见解的选定示例，从而提供了一个完整的数据库来指导分子材料的设计。

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。

在整个计算科学中，越来越需要利用原始计算马力的持续改进，通过对蛮力的尺度锻炼的尺度增加，以增加网状元素数量的增加。例如，如果不考虑分子水平的相互作用，就不可能对纳米多孔介质的转运进行定量预测，即从紧密的页岩地层提取至关重要的碳氢化合物。同样，惯性限制融合模拟依赖于数值扩散来模拟分子效应，例如非本地转运和混合，而无需真正考虑分子相互作用。考虑到这两个不同的应用程序，我们开发了一种新颖的功能，该功能使用主动学习方法来优化局部细尺度模拟的使用来告知粗尺度流体动力学。我们的方法解决了三个挑战：预测连续性粗尺度轨迹，以推测执行新的精细分子动力学计算，动态地更新细度计算中的粗尺度，并量化神经网络模型中的不确定性。

预测分子系统的结构和能量特性是分子模拟的基本任务之一，并且具有化学，生物学和医学的用例。在过去的十年中，机器学习算法的出现影响了各种任务的分子模拟，包括原子系统的财产预测。在本文中，我们提出了一种新的方法，用于将从简单分子系统获得的知识转移到更复杂的知识中，并具有明显的原子和自由度。特别是，我们专注于高自由能状态的分类。我们的方法依赖于（i）分子的新型超图表，编码所有相关信息来表征构象的势能，以及（ii）新的消息传递和汇总层来处理和对此类超图结构数据进行预测。尽管问题的复杂性，但我们的结果表明，从三丙氨酸转移到DECA-丙氨酸系统的转移学习中，AUC的AUC为0.92。此外，我们表明，相同的转移学习方法可以用无监督的方式分组，在具有相似的自由能值的簇中，deca-丙氨酸的各种二级结构。我们的研究代表了一个概念证明，即可以设计用于分子系统的可靠传输学习模型，为预测生物学相关系统的结构和能量性能的未开发途径铺平道路。

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。

我们提供了证据表明，学到的密度功能理论（``dft'）的力场已准备好进行基态催化剂发现。我们的关键发现是，尽管预测的力与地面真相有很大差异，但使用从超过50 \％的评估系统中使用RPBE功能的能量与使用RPBE功能相似或较低能量的力量的力量与使用RPBE功能相似或较低的力量放松。这具有令人惊讶的含义，即学习的潜力可能已经准备好在挑战性的催化系统中替换DFT，例如在Open Catalyst 2020数据集中发现的电位。此外，我们表明，在局部谐波能量表面上具有与目标DFT能量相同的局部谐波能量表面训练的力场也能够在50 \％的情况下找到较低或相似的能量结构。与在真实能量和力量训练的标准模型相比，这种``简易电位''的收敛步骤更少，这进一步加速了计算。它的成功说明了一个关键：即使模型具有高力误差，学到的电位也可以定位能量最小值。结构优化的主要要求仅仅是学到的电位具有正确的最小值。由于学到的电位与系统大小的速度快速且尺寸为线性，因此我们的结果开辟了快速找到大型系统基础状态的可能性。

构建代表原子构型的有效描述符对于开发出色的机器学习电位至关重要。广泛使用的常规描述符基于原子分布的两种或三体相关性。最近，揭示了这些多体描述符在分类不同配置时的几个局限性，这对物理特性的预测产生了不利影响。我们根据持续的同源性提出了一类新的描述符。我们专注于持续同源性的二维可视化，即持久图，作为图像形式的原子配置的描述。我们证明，基于该描述符的卷积神经网络模型在预测无定形石墨烯和无定形碳的平均能量方面提供了足够的准确性。我们的结果为使用描述拓扑和几何信息的描述符提供了改善机器学习潜力的途径。

对大数据集的不确定性控制和可伸缩性是将高斯工艺模型部署到自主材料和化学空间勘探管道中的两个主要问题。解决这两个问题的一种方法是引入潜在的诱导变量，并为边缘模具目标目标选择正确的近似值。在这里，我们表明，高维分子描述器空间中诱导点的变异学习显着改善了来自样品分子动力学数据集的测试构型的预测质量和不确定性估计。此外，我们表明诱导点可以学会代表不同类型的分子的构型，这些分子在诱导点的初始化集中不存在。在评估的几种近似边缘样品可能性目标中，我们表明，预测对数似然既提供了可与精确高斯过程模型相当的预测质量，又提供了出色的不确定性控制。最后，我们评论高斯过程是否通过在高维描述符空间中插值分子构函来做出预测。我们表明，尽管我们的直觉，即使对于密集采样的分子数据集，大多数预测还是在外推方案中执行。