We extend our recently proposed Deep Learning-aided many-body dispersion (DNN-MBD) model to quadrupole polarizability (Q) terms using a generalized Random Phase Approximation (RPA) formalism, thus enabling the inclusion of van der Waals contributions beyond dipole. The resulting DNN-MBDQ model only relies on ab initio-derived quantities as the introduced quadrupole polarizabilities are recursively retrieved from dipole ones, in turn modelled via the Tkatchenko-Scheffler method. A transferable and efficient deep-neuronal network (DNN) provides atom in molecule volumes, while a single range-separation parameter is used to couple the model to Density Functional Theory (DFT). Since it can be computed at a negligible cost, the DNN-MBDQ approach can be coupled with DFT functionals such as PBE,PBE0 and B86bPBE (dispersionless). The DNN-MBQ-corrected functionals reach chemical accuracy while exhibiting lower errors compared to the DNN-MBD dipole-only counterparts as well as to other MBD-based dispersion correction models where the accuracy gain can reache up to 45%.
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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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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。
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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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氢化镁（MGH $ _2 $）已被广泛研究有效储氢。然而，其散装解吸温度（553 k）被认为是实际应用的太高。除了掺杂外，可以降低这种用于释放氢的这种反应能量的策略是使用MGH $ _2 $基本的纳米颗粒（NPS）。在这里，我们首先调查Mg $ _N $ H $ _ {2n} $ NPS（$ N <10 $）的热力学特性，特别是通过评估对焓，熵和热膨胀的anharmonic影响随机自我一致的谐波近似（SSCHA）。后一种方法超出了先前的方法，通常基于分子力学和准谐波近似，允许AB初始自由能量计算。我们发现了几乎线性依赖于间隙键长度的温度 - 具有超过300k的相对变化，与Mg-H键的键距离降低。为了将NPS的大小增加到MGH $ _2 $的氢解吸的实验中，我们设计了培训的计算有效的机器学习模型，以准确地确定力量和总能量（即潜在能量表面），与SSCHA模型集成了后者完全包括anharmonic效应。我们发现亚纳米簇Mg $ _n $ h $ _ {2n} $以$ n \ leq 10 $的显着减少，但不可忽视，虽然因anharmonicities（最多） 10％）。
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最近，机器学习（ML）电位的发展使得以量子力学（QM）模型的精度进行大规模和长期分子模拟成为可能。但是，对于高水平的QM方法，例如在元gga级和/或具有精确交换的密度函数理论（DFT），量子蒙特卡洛等，生成足够数量的用于训练的数据由于其高成本，计算挑战性。在这项工作中，我们证明了基于ML的DFT模型Deep Kohn-Sham（Deepks）可以在很大程度上缓解这个问题。 DeepKS采用计算高效的基于神经网络的功能模型来构建在廉价DFT模型上添加的校正项。在训练后，DeepKs提供了与高级QM方法相比，具有紧密匹配的能量和力，但是所需的训练数据的数量是比训练可靠的ML潜力所需的数量级要小。因此，DeepKs可以用作昂贵的QM型号和ML电位之间的桥梁：一个人可以生成相当数量的高准确性QM数据来训练DeepKs模型，然后使用DeepKs型号来标记大量的配置以标记训练ML潜力。该周期系统方案在DFT软件包算盘中实施，该计划是开源的，可以在各种应用程序中使用。
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这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。
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机器学习电位通常是在基态的，未脑的能量表面上训练的，该能量表面仅取决于原子位置而不取决于模拟温度。这无视热激发电子的影响，这在金属中很重要，对于描述温暖的物质至关重要。这些效果的准确物理描述要求该核在温度依赖性电子自由能上移动。我们提出了一种方法，以在任意电子温度下使用地面计算中专门训练数据，避免需要训练温度依赖的电位，并在金属液体氢上基准在任意电子温度下获得该自由能的机器学习预测。天然气巨头和棕色矮人的核心。这项工作证明了混合方案的优势，这些方案使用物理考虑来结合机器学习预测，为开发类似方法的开发提供了蓝图，这些方法通过消除物理和数据驱动方法之间的屏障来扩展原子建模的覆盖范围。
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电子密度$ \ 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}）$的大型复杂系统，比DFT快于允许筛选无序的功能材料。
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机器学习，特别是深度学习方法在许多模式识别和数据处理问题，游戏玩法中都优于人类的能力，现在在科学发现中也起着越来越重要的作用。机器学习在分子科学中的关键应用是通过使用密度函数理论，耦合群或其他量子化学方法获得的电子schr \“ odinger方程的Ab-Initio溶液中的势能表面或力场。我们回顾了一种最新和互补的方法：使用机器学习来辅助从第一原理中直接解决量子化学问题。具体来说，我们专注于使用神经网络ANSATZ功能的量子蒙特卡洛（QMC）方法，以解决电子SCHR \ “ Odinger方程在第一和第二量化中，计算场和激发态，并概括多个核构型。与现有的量子化学方法相比，这些新的深QMC方法具有以相对适度的计算成本生成高度准确的Schr \“ Odinger方程的溶液。
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Kohn-Sham规则器（KSR）是一种机器学习方法，可在可区分KOHN-MAMH密度功能理论框架内优化物理信息的交换相关功能。通过培训原子系统培训和均衡时分子测试评估KSR的普遍性。我们提出了具有本地，半焦点和非识别功能的ksr的旋转极化版本，用于交换相关功能。我们半象征近似的泛化误差与其他可分辨率的方法相当。我们的非识别功能通过预测测试系统的地面能量来实现任何现有的机器学习功能，其具有2.7毫巴的平均绝对误差。
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我们开发了一种组合量子蒙特卡罗的准确性在描述与机器学习电位（MLP）的效率描述电子相关性的技术。我们使用内核线性回归与肥皂（平滑的重叠原子位置）方法结合使用，以非常有效的方式在此实现。关键成分是：i）一种基于最远点采样的稀疏技术，确保我们的MLP的一般性和可转换性和II）所谓的$ \ 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。
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由于它们在元素之间代表复杂互动的能力，变压器已成为许多应用中的选择方法。然而，将变压器架构扩展到非顺序数据，例如分子，并使其对小型数据集的训练仍然是一个挑战。在这项工作中，我们引入了一种用于分子性能预测的基于变压器的架构，其能够捕获分子的几何形状。我们通过分子几何形状的初始编码来修改经典位置编码器，以及学习的门控自我关注机制。我们进一步提出了一种增强方案，用于避免通过过次分辨率的架构引起的过度拟合的分子数据。所提出的框架优于最先进的方法，同时仅基于纯机器学习，即，即该方法不包含量子化学的域知识，并且在成对原子距离旁边没有使用延伸的几何输入。
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FIG. 1. Schematic diagram of a Variational Quantum Algorithm (VQA). The inputs to a VQA are: a cost function C(θ), with θ a set of parameters that encodes the solution to the problem, an ansatz whose parameters are trained to minimize the cost, and (possibly) a set of training data {ρ k } used during the optimization. Here, the cost can often be expressed in the form in Eq. ( 3), for some set of functions {f k }. Also, the ansatz is shown as a parameterized quantum circuit (on the left), which is analogous to a neural network (also shown schematically on the right). At each iteration of the loop one uses a quantum computer to efficiently estimate the cost (or its gradients). This information is fed into a classical computer that leverages the power of optimizers to navigate the cost landscape C(θ) and solve the optimization problem in Eq. ( 1). Once a termination condition is met, the VQA outputs an estimate of the solution to the problem. The form of the output depends on the precise task at hand. The red box indicates some of the most common types of outputs.
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Recently, graph neural networks (GNNs) have achieved remarkable performances for quantum mechanical problems. However, a graph convolution can only cover a localized region, and cannot capture long-range interactions of atoms. This behavior is contrary to theoretical interatomic potentials, which is a fundamental limitation of the spatial based GNNs. In this work, we propose a novel attention-based framework for molecular property prediction tasks. We represent a molecular conformation as a discrete atomic sequence combined by atom-atom distance attributes, named Geometry-aware Transformer (GeoT). In particular, we adopt a Transformer architecture, which has been widely used for sequential data. Our proposed model trains sequential representations of molecular graphs based on globally constructed attentions, maintaining all spatial arrangements of atom pairs. Our method does not suffer from cost intensive computations, such as angle calculations. The experimental results on several public benchmarks and visualization maps verified that keeping the long-range interatomic attributes can significantly improve the model predictability.
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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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使用精确能量功能的原子模拟可以为气体和冷凝相中的分子的功能运动提供分子水平洞察。与最近开发的和目前在整合和结合的努力与机器学习技术相结合，提供了一个独特的机会，使这种动态模拟更接近现实。这种观点界定了现场其他人的努力和您自己的工作的现状，并讨论了开放问题和未来的前景。
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Schr \“Odinger方程的准确数字解决方案在量子化学方面至关重要。然而，当前高精度方法的计算成本与交互粒子的数量相当差。最近将Monte Carlo方法与无监督的神经网络训练相结合被提议作为克服该环境中的维度诅咒的有希望的方法，并以适度缩放的计算成本获得各个分子的准确的波力。这些方法目前不会利用波力源相对于它们的分子几何形状表现出的规律性。灵感来自最近的近期转移学习在机器翻译和计算机视觉任务中的成功应用，我们试图通过在优化基于神经网络的模型以进行不同分子几何形状时引入权重共享限制来利用这种规律。也就是说，我们限制了优化过程高达95％的w神经网络模型中的八个实际上是相同的分类几何形状。我们发现，当通过数量级考虑相同分子的核几何形状时，该技术可以加速优化，并且它开启了朝向预训练的神经网络波力发射的有希望的路线，即使在不同的分子上也能产生高精度。
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偶极矩是一个物理量，指示分子的极性，并通过反映成分原子的电性能和分子的几何特性来确定。大多数用于表示传统图神经网络方法中图表表示的嵌入方式将分子视为拓扑图，从而为识别几何信息的目标造成了重大障碍。与现有的嵌入涉及均值的嵌入不同，该嵌入适当地处理分子的3D结构不同，我们的拟议嵌入直接表达了偶极矩局部贡献的物理意义。我们表明，即使对于具有扩展几何形状的分子并捕获更多的原子相互作用信息，开发的模型甚至可以合理地工作，从而显着改善了预测结果，准确性与AB-Initio计算相当。
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我们开发方法以在一个空间尺寸中学习时间依赖的Kohn-Sham（TDK）系统的相关电位。我们从一条低维两电子系统开始，我们可以在数值上解决时间依赖的SCHR \“odinger方程;这产生适用于培训相关潜力的培训模型的电子密度。我们将学习问题框架作为优化的一个对动态遵守TDKS方程的限制的限制最小二乘目标。应用伴侣，我们开发有效的方法来计算梯度，从而学习相关势的模型。我们的结果表明可以学习相关潜力的值所得到的电子密度匹配地面真理密度。我们还展示了如何使用内存学习相关潜在功能，演示一个这样的模型，为训练集外的轨迹产生合理的结果。
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