Molecular dynamics (MD) has long been the de facto choice for simulating complex atomistic systems from first principles. Recently deep learning models become a popular way to accelerate MD. Notwithstanding, existing models depend on intermediate variables such as the potential energy or force fields to update atomic positions, which requires additional computations to perform back-propagation. To waive this requirement, we propose a novel model called DiffMD by directly estimating the gradient of the log density of molecular conformations. DiffMD relies on a score-based denoising diffusion generative model that perturbs the molecular structure with a conditional noise depending on atomic accelerations and treats conformations at previous timeframes as the prior distribution for sampling. Another challenge of modeling such a conformation generation process is that a molecule is kinetic instead of static, which no prior works have strictly studied. To solve this challenge, we propose an equivariant geometric Transformer as the score function in the diffusion process to calculate corresponding gradients. It incorporates the directions and velocities of atomic motions via 3D spherical Fourier-Bessel representations. With multiple architectural improvements, we outperform state-of-the-art baselines on MD17 and isomers of C7O2H10 datasets. This work contributes to accelerating material and drug discovery.

群体模棱两可（例如，SE（3）均衡性）是科学的关键物理对称性，从经典和量子物理学到计算生物学。它可以在任意参考转换下实现强大而准确的预测。鉴于此，已经为将这种对称性编码为深神经网络而做出了巨大的努力，该网络已被证明可以提高下游任务的概括性能和数据效率。构建模棱两可的神经网络通常会带来高计算成本以确保表现力。因此，如何更好地折衷表现力和计算效率在模棱两可的深度学习模型的设计中起着核心作用。在本文中，我们提出了一个框架来构建可以有效地近似几何量的se（3）等效图神经网络。受差异几何形状和物理学的启发，我们向图形神经网络介绍了局部完整帧，因此可以将以给定订单的张量信息投射到框架上。构建本地框架以形成正常基础，以避免方向变性并确保完整性。由于框架仅是由跨产品操作构建的，因此我们的方法在计算上是有效的。我们在两个任务上评估我们的方法：牛顿力学建模和平衡分子构象的产生。广泛的实验结果表明，我们的模型在两种类型的数据集中达到了最佳或竞争性能。

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。

Graph neural networks have recently achieved great successes in predicting quantum mechanical properties of molecules. These models represent a molecule as a graph using only the distance between atoms (nodes). They do not, however, consider the spatial direction from one atom to another, despite directional information playing a central role in empirical potentials for molecules, e.g. in angular potentials. To alleviate this limitation we propose directional message passing, in which we embed the messages passed between atoms instead of the atoms themselves. Each message is associated with a direction in coordinate space. These directional message embeddings are rotationally equivariant since the associated directions rotate with the molecule. We propose a message passing scheme analogous to belief propagation, which uses the directional information by transforming messages based on the angle between them. Additionally, we use spherical Bessel functions and spherical harmonics to construct theoretically well-founded, orthogonal representations that achieve better performance than the currently prevalent Gaussian radial basis representations while using fewer than 1 /4 of the parameters. We leverage these innovations to construct the directional message passing neural network (DimeNet). DimeNet outperforms previous GNNs on average by 76 % on MD17 and by 31 % on QM9. Our implementation is available online. 1

分子的产生，尤其是从头开始产生3D分子几何形状（即3D \ textit {de Novo} Generation）已成为药物设计中的一项基本任务。现有的基于扩散的3D分子生成方法可能会遭受性能不令人满意的性能，尤其是在产生大分子时。同时，产生的分子缺乏足够的多样性。本文提出了一个新的扩散模型，以应对这两个挑战。首先，原子关系不在分子的3D点云表示中。因此，现有生成模型很难捕获潜在的原子间力和丰富的局部约束。为了应对这一挑战，我们建议增强潜在的原子间力，并进一步涉及双重模棱两可的编码器，以编码不同强度的原子质力。其次，现有的基于扩散的模型基本上是沿数据密度梯度的几何元素。这样的过程在Langevin动力学的中间步骤中缺乏足够的探索。为了解决这个问题，我们在每个扩散/反向步骤中引入了一个分布控制变量，以实施彻底的探索并进一步改善发电多样性。对多个基准测试的广泛实验表明，所提出的模型明显优于无条件和条件生成任务的现有方法。我们还进行案例研究以帮助了解产生分子的理化特性。

这项工作引入了3D分子生成的扩散模型，该模型与欧几里得转化一样。我们的e（3）e象扩散模型（EDM）学会了通过均衡网络的扩散过程，该网络共同在连续（原子坐标）和分类特征（原子类型）上共同运行。此外，我们提供了一种概率分析，该分析使用我们的模型接受了分子的可能性计算。在实验上，所提出的方法显着优于先前关于生成样品质量和训练时效率的3D分子生成方法。

基于AI的分子生成为大量生物医学科学和工程（例如抗体设计，水解酶工程或疫苗开发）提供了一种有希望的方法。由于分子受物理定律的管辖，所以关键的挑战是将先前的信息纳入训练程序中，以产生高质量和现实的分子。我们提出了一种简单而新颖的方法，以引导基于扩散的生成模型培训具有物理和统计的先验信息。这是通过构建物理知情的扩散桥，即保证在固定末端产生给定观察的随机过程来实现的。我们开发了一种基于Lyapunov函数的方法来构建和确定桥梁，并提出了许多有关高质量分子生成和均匀性促进的3D点云生成的信息丰富的先验桥的建议。通过全面的实验，我们表明我们的方法为3D生成任务提供了强大的方法，从而产生具有更好质量和稳定性得分的分子结构，并且具有更高质量的分布点云。

没有标签的预处理分子表示模型是各种应用的基础。常规方法主要是处理2D分子图，并仅专注于2D任务，使其预验证的模型无法表征3D几何形状，因此对于下游3D任务有缺陷。在这项工作中，我们从完整而新颖的意义上处理了3D分子预处理。特别是，我们首先提议采用基于能量的模型作为预处理的骨干，该模型具有实现3D空间对称性的优点。然后，我们为力预测开发了节点级预处理损失，在此过程中，我们进一步利用了Riemann-Gaussian分布，以确保损失为E（3） - 不变，从而实现了更多的稳健性。此外，还利用了图形噪声量表预测任务，以进一步促进最终的性能。我们评估了从两个具有挑战性的3D基准：MD17和QM9的大规模3D数据集GEOM-QM9预测的模型。实验结果支持我们方法对当前最新预处理方法的更好疗效，并验证我们设计的有效性。

分子动力学（MD）仿真是一种强大的工具，用于了解物质的动态和结构。由于MD的分辨率是原子尺度，因此实现了使用飞秒集成的长时间模拟非常昂贵。在每个MD步骤中，执行许多可以学习和避免的冗余计算。这些冗余计算可以由像图形神经网络（GNN）的深度学习模型代替和建模。在这项工作中，我们开发了一个GNN加速分子动力学（GAMD）模型，实现了快速准确的力预测，并产生与经典MD模拟一致的轨迹。我们的研究结果表明，Gamd可以准确地预测两个典型的分子系统，Lennard-Jones（LJ）颗粒和水（LJ +静电）的动态。 GAMD的学习和推理是不可知论的，它可以在测试时间缩放到更大的系统。我们还进行了一项全面的基准测试，将GAMD的实施与生产级MD软件进行了比较，我们展示了GAMD在大规模模拟上对它们具有竞争力。

扩散模型是一类深入生成模型，在具有密集理论建立的各种任务上显示出令人印象深刻的结果。尽管与其他最先进的模型相比，扩散模型的样本合成质量和多样性令人印象深刻，但它们仍然遭受了昂贵的抽样程序和次优可能的估计。最近的研究表明，对提高扩散模型的性能的热情非常热情。在本文中，我们对扩散模型的现有变体进行了首次全面综述。具体而言，我们提供了扩散模型的第一个分类法，并将它们分类为三种类型，即采样加速增强，可能性最大化的增强和数据将来增强。我们还详细介绍了其他五个生成模型（即变异自动编码器，生成对抗网络，正常流量，自动回归模型和基于能量的模型），并阐明扩散模型与这些生成模型之间的连接。然后，我们对扩散模型的应用进行彻底研究，包括计算机视觉，自然语言处理，波形信号处理，多模式建模，分子图生成，时间序列建模和对抗性纯化。此外，我们提出了与这种生成模型的发展有关的新观点。

分子模拟的粗粒度（CG）通过将选定的原子分组为伪珠并大幅加速模拟来简化粒子的表示。但是，这种CG程序会导致信息损失，从而使准确的背景映射，即从CG坐标恢复细粒度（FG）坐标，这是一个长期存在的挑战。受生成模型和e象网络的最新进展的启发，我们提出了一个新型模型，该模型严格嵌入了背态转换的重要概率性质和几何一致性要求。我们的模型将FG的不确定性编码为不变的潜在空间，并通过Equivariant卷积将其解码为FG几何形状。为了标准化该领域的评估，我们根据分子动力学轨迹提供了三个综合基准。实验表明，我们的方法始终恢复更现实的结构，并以显着的边距胜过现有的数据驱动方法。

深度学习表现出巨大的生成任务潜力。生成模型是可以根据某些隐含参数随机生成观测值的模型类。最近，扩散模型由于其发电能力而成为一类生成模型。如今，已经取得了巨大的成就。除了计算机视觉，语音产生，生物信息学和自然语言处理外，还需要在该领域探索更多应用。但是，扩散模型具有缓慢生成过程的自然缺点，从而导致许多增强的作品。该调查总结了扩散模型的领域。我们首先说明了两项具有里程碑意义的作品的主要问题-DDPM和DSM。然后，我们提供各种高级技术，以加快扩散模型 - 训练时间表，无训练采样，混合模型以及得分和扩散统一。关于现有模型，我们还根据特定的NFE提供了FID得分的基准和NLL。此外，引入了带有扩散模型的应用程序，包括计算机视觉，序列建模，音频和科学AI。最后，该领域以及局限性和进一步的方向都进行了摘要。

本文介绍了欧几里德对称的生成模型：E（n）等分反的归一化流量（E-NFS）。为了构建E-NFS，我们采用鉴别性E（n）图神经网络，并将它们集成为微分方程，以获得可逆的等式功能：连续时间归一化流量。我们展示了E-NFS在诸如DW4和LJ13的粒子系统中的文献中的基础和现有方法，以及QM9的分子在对数似然方面。据我们所知，这是第一次流动，共同生成3D中的分子特征和位置。

Generating molecules that bind to specific proteins is an important but challenging task in drug discovery. Previous works usually generate atoms in an auto-regressive way, where element types and 3D coordinates of atoms are generated one by one. However, in real-world molecular systems, the interactions among atoms in an entire molecule are global, leading to the energy function pair-coupled among atoms. With such energy-based consideration, the modeling of probability should be based on joint distributions, rather than sequentially conditional ones. Thus, the unnatural sequentially auto-regressive modeling of molecule generation is likely to violate the physical rules, thus resulting in poor properties of the generated molecules. In this work, a generative diffusion model for molecular 3D structures based on target proteins as contextual constraints is established, at a full-atom level in a non-autoregressive way. Given a designated 3D protein binding site, our model learns the generative process that denoises both element types and 3D coordinates of an entire molecule, with an equivariant network. Experimentally, the proposed method shows competitive performance compared with prevailing works in terms of high affinity with proteins and appropriate molecule sizes as well as other drug properties such as drug-likeness of the generated molecules.

我们设计了一种新型的前馈神经网络。相对于统一组$ u（n）$，它是均等的。输入和输出可以是$ \ mathbb {c}^n $的向量，并具有任意尺寸$ n $。我们的实施中不需要卷积层。我们避免因傅立叶样转换中的高阶项截断而导致错误。可以使用简单的计算有效地完成每一层的实现。作为概念的证明，我们已经对原子运动动力学的预测给出了经验结果，以证明我们的方法的实用性。

分子动力学模拟是科学的基石，允许从系统的热力学调查以分析复杂的分子相互作用。通常，为了创建扩展的分子轨迹，可以是计算昂贵的过程，例如，在运行$ ab-initio $ simulations时。因此，重复这样的计算以获得更准确的热力学或在由细粒度量子相互作用产生的动态中获得更高的分辨率可以是时间和计算的。在这项工作中，我们探讨了不同的机器学习（ML）方法，以提高在后处理步骤内按需的分子动力学轨迹的分辨率。作为概念证明，我们分析了神经杂物，哈密顿网络，经常性神经网络和LSTM等双向神经网络的表现，以及作为参考的单向变体，用于分子动力学模拟（这里是： MD17数据集）。我们发现Bi-LSTMS是表现最佳的模型;通过利用恒温轨迹的局部时对称，它们甚至可以学习远程相关性，并在分子复杂性上显示高稳健性。我们的模型可以达到轨迹插值中最多10美元^ {-4}的准确度，同时忠实地重建了几个无奈复杂的高频分子振动的全周期，使学习和参考轨迹之间的比较难以区分。该工作中报告的结果可以作为更大系统的基线服务（1），以及（2）用于建造更好的MD集成商。

生成图形结构化数据需要学习图形的基础分布。然而，这是一个具有挑战性的问题，先前的图生成方法要么无法捕获图形的置换率属性，要么无法充分对节点和边缘之间的复杂依赖性进行建模，这对于生成现实世界图（例如分子）至关重要。为了克服此类局限性，我们为具有连续时间框架的图形提出了一种基于分数的新型生成模型。具体而言，我们提出了一个新的图扩散过程，该过程通过随机微分方程（SDE）系统建模节点和边缘的联合分布。然后，我们得出了针对建议的扩散过程量身定制的新的分数匹配目标，以估算关节对数密度相对于每个组件的梯度，并为SDE系统引入一个新的求解器，以从反向扩散过程中有效采样。我们验证了不同数据集的图形生成方法，在该数据集上，它要么在其上取得了比基线显着或竞争性能的。进一步的分析表明，我们的方法能够生成接近训练分布但不违反化学价值规则的分子，从而证明了SDE系统在建模节点边缘关系中的有效性。我们的代码可在https://github.com/harryjo97/gdss上找到。

产生稳定材料的周期性结构是材料设计界的长期挑战。这个任务很难，因为稳定的材料只存在于原子的所有可能的周期性布置的低维子空间中：1）坐标必须位于量子力学限定的局部能量最小，而2）全球稳定性也需要遵循结构不同原子类型之间的复杂，但特定的粘合偏好。现有方法未能纳入这些因素，并且经常缺乏适当的侵略者。我们提出了一种晶体扩散变分性AutoEncoder（CDVAE），其捕获材料稳定性的物理感应偏差。通过从稳定材料的数据分布中学习，解码器在扩散过程中产生材料，其将原子坐标朝向较低能量状态移动并更新原子类型以满足邻居之间的粘接偏好。我们的模型还明确地编码了周期性边界的交互，尊重置换，转换，旋转和周期性修正。我们在三个任务中显着优于过去的方法：1）重建输入结构，2）产生有效，多样化和现实的材料和3）产生优化特定性质的材料。我们还为更广泛的机器学习界提供了几个标准数据集和评估指标。

粗粒（CG）分子模拟已成为研究全原子模拟无法访问的时间和长度尺度上分子过程的标准工具。参数化CG力场以匹配全原子模拟，主要依赖于力匹配或相对熵最小化，这些熵最小化分别需要来自具有全原子或CG分辨率的昂贵模拟中的许多样本。在这里，我们提出了流量匹配，这是一种针对CG力场的新训练方法，它通过利用正常流量（一种生成的深度学习方法）来结合两种方法的优势。流量匹配首先训练标准化流程以表示CG概率密度，这等同于最小化相对熵而无需迭代CG模拟。随后，该流量根据学习分布生成样品和力，以通过力匹配来训练所需的CG能量模型。即使不需要全部原子模拟的力，流程匹配就数据效率的数量级优于经典力匹配，并产生CG模型，可以捕获小蛋白质的折叠和展开过渡。

3D空间中的空间结构对于确定分子特性是重要的。最近的论文使用几何深度学习来代表分子和预测性质。然而，这些论文在捕获输入原子的远程依赖性时在计算上昂贵;并且尚未考虑外部距离的不均匀性，因此未能学习不同尺度的上下文依赖表示。为了处理这些问题，我们引入了3D变压器，变压器的变型，用于结合3D空间信息的分子表示。 3D变压器在完全连接的图形上运行，在原子之间的直接连接。为了应对外部距离的不均匀性，我们开发了一种多尺度的自我关注模块，利用局部细粒度模式随着越来越多的上下文尺度来利用局部细粒度模式。由于不同尺寸的分子依赖于不同种类的空间特征，我们设计了一种自适应位置编码模块，用于针对小型和大分子采用不同的位置编码方法。最后，为了获得原子嵌入的分子表示，我们提出了一种殷勤最远的点采样算法，该算法在注意分数的帮助下选择一部分原子，克服虚拟节点的障碍和先前的距离 - 优势下采样方法。我们通过三个重要的科学域验证3D变压器：量子化学，物质科学和蛋白质组学。我们的实验表现出对晶体性能预测任务和蛋白质 - 配体结合亲和预测任务的最先进模型的显着改善，并且在量子化学分子数据集中显示了更好或更有竞争的性能。这项工作提供了明确的证据表明，生物化学任务可以从3D分子表示中获得一致的益处，不同的任务需要不同的位置编码方法。