Density based representations of atomic environments that are invariant under Euclidean symmetries have become a widely used tool in the machine learning of interatomic potentials, broader data-driven atomistic modelling and the visualisation and analysis of materials datasets.The standard mechanism used to incorporate chemical element information is to create separate densities for each element and form tensor products between them. This leads to a steep scaling in the size of the representation as the number of elements increases. Graph neural networks, which do not explicitly use density representations, escape this scaling by mapping the chemical element information into a fixed dimensional space in a learnable way. We recast this approach as tensor factorisation by exploiting the tensor structure of standard neighbour density based descriptors. In doing so, we form compact tensor-reduced representations whose size does not depend on the number of chemical elements, but remain systematically convergeable and are therefore applicable to a wide range of data analysis and regression tasks.

几乎每个机器学习算法的输入瞄准原子秤上的物质属性涉及笛卡尔原子坐标列表的转换为更称对称表示。许多最流行的表示可以被视为原子密度的对称相关性的扩展，并且主要在于基础的选择。相当大的努力一直致力于优化基础集，通常由关于回归目标行为的启发式考虑因素驱动。在这里，我们采取了不同的无监督的观点，旨在确定以最紧凑的方式进行编码的基础，可能是与手头数据集相关的结构信息。对于每个训练数据集和基础函数数，可以确定在这种意义上最佳的独特基础，并且可以通过用样条近似于近似地基于原始基础来计算。我们证明，这种结构产生了准确和计算效率的表示，特别是在构建对应于高于高机标相关性的表示时。我们提出了涉及分子和凝聚相机器学习模型的示例。

在计算化学和材料科学中，创建快速准确的力场是一项长期挑战。最近，已经证明，几个直径传递神经网络（MPNN）超过了使用其他方法在准确性方面构建的模型。但是，大多数MPNN的计算成本高和可伸缩性差。我们建议出现这些局限性，因为MPNN仅传递两体消息，从而导致层数与网络的表达性之间的直接关系。在这项工作中，我们介绍了MACE，这是一种使用更高的车身订单消息的新型MPNN模型。特别是，我们表明，使用四体消息将所需的消息传递迭代数减少到\ emph {两}，从而导致快速且高度可行的模型，达到或超过RMD17的最新准确性，3BPA和ACAC基准任务。我们还证明，使用高阶消息会导致学习曲线的陡峭程度改善。

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。

基于原子间位置的相关性的机器学习框架首先是对系统中每个原子附近其他原子密度的离散描述。对称考虑因素支持使用球形谐波扩大该密度的角度依赖性，但是尚无明确的理由来选择一种径向基础而不是另一种径向基础。在这里，我们调查了laplacian特征值问题在感兴趣原子周围的球体中的解决方案。我们表明，这在球体内生成了给定尺寸的最平稳依据，并且拉普拉斯本征态的张量产品也为扩展适当的超晶体内原子密度的任何高阶相关性提供了最平稳的可能基础。我们考虑了给定数据集的基础质量的几个无监督的指标，并表明拉普拉斯特征态的基础的性能比某些广泛使用的基础集要好得多，并且与数据驱动的基础具有竞争力，该基础基础具有数值优化每个度量的基础。在监督的机器学习测试中，我们发现拉普拉斯特征状态的最佳功能平滑度导致可比或更好的性能，而不是从相似大小的数据驱动的基础上获得的，该基础已优化，以描述用于描述原子密度相关的相关性特定数据集。我们得出的结论是，基本函数的平滑度是成功的原子密度表示的关键，迄今为止，迄今为止却在很大程度上被忽略了。

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.

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。

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。

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。

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。

图神经网络（GNN）是机器学习中非常流行的方法，并且非常成功地应用于分子和材料的性质。众所周知，一阶GNN是不完整的，即存在不同的图形，但在通过GNN的镜头看到时似乎相同。因此，更复杂的方案旨在提高其分辨能力。但是，在分子（以及更一般的点云）上的应用，为问题添加了几何维度。构造分子图表表示原子的最直接和普遍的方法将原子视为图中的顶点，并在所选截止中的每对原子之间绘制一个键。键可以用原子之间的距离进行装饰，所得的“距离图NN”（DGNN）在经验上已证明了出色的分辨能力，并广泛用于化学ML，所有已知的不可区分的图都在完全连接的极限中解析。在这里，我们表明，即使对于由3D原子云引起的完全连接图的受限情况也不完整。我们构造了一对不同的点云对产生图形，对于任何截止半径，基于一阶Weisfeiler-Lehman测试都是等效的。这类退化的结构包括化学上可见的构型，为某些完善的GNN架构的原子学机器学习设定了最终的限制。在原子环境描述中明确使用角度或方向信息的模型可以解决这些变性。

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。

包括协调性信息，例如位置，力，速度或旋转在计算物理和化学中的许多任务中是重要的。我们介绍了概括了等级图形网络的可控e（3）的等值图形神经网络（Segnns），使得节点和边缘属性不限于不变的标量，而是可以包含相协同信息，例如矢量或张量。该模型由可操纵的MLP组成，能够在消息和更新功能中包含几何和物理信息。通过可操纵节点属性的定义，MLP提供了一种新的Activation函数，以便与可转向功能字段一般使用。我们讨论我们的镜头通过等级的非线性卷曲镜头讨论我们的相关工作，进一步允许我们引脚点点的成功组件：非线性消息聚集在经典线性（可操纵）点卷积上改善;可操纵的消息在最近发送不变性消息的最近的等价图形网络上。我们展示了我们对计算物理学和化学的若干任务的方法的有效性，并提供了广泛的消融研究。

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。

与多体波函数相比，使用2电子降低密度矩阵（2RDM）编码分子的电子结构已经是一个数十年的任务，因为2RDM包含足够的信息来计算精确的分子能量，但只需要多项式存储。我们专注于具有不同构象和单体数量的线性聚合物，并表明我们可以使用机器学习来预测1电子和2电子降低密度矩阵。此外，通过将哈密顿操作员应用于预测的降低密度矩阵，我们表明我们可以恢复分子能。因此，我们证明了机器学习方法可以预测新构象和新分子的电子结构的可行性。同时，我们的工作规避了通过直接机器学习有效的有效降低密度矩阵来阻碍2RDM方法适应的N-陈述性问题。

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。

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.

有效地预测分子相互作用具有通过多个数量级的加速分子动力学的可能性，从而彻底改变化学模拟。图表神经网络（GNNS）最近显示了这项任务的巨大成功，超越了基于固定分子核的经典方法。然而，它们仍然从理论角度出现非常有限，因为常规GNN不能区分某些类型的图表。在这项工作中，我们在理论和实践之间缩小了这种差距。我们表明，具有指示边缘嵌入和两个跳消息传递的GNN是必然的近似器，用于翻译的预测，并且等于排列和旋转。然后，我们利用这些见解和多种结构改进来提出通过神经网络（GemNet）的几何消息。我们展示了拟议的多次消融研究变化的好处。 GEMNET在Coll，MD17和OC20数据集上优于34％，41％和20％的先前模型，并在最具挑战性分子上表现尤其好。我们的实现可在线获取。

建模分子势能表面在科学中至关重要。图神经网络在该领域表现出了巨大的成功，尤其是那些使用旋转等级表示的人。但是，他们要么患有复杂的数学形式，要么缺乏理论支持和设计原则。为了避免使用模棱两可的表示，我们引入了一种新型的本地框架方法来分子表示学习并分析其表现力。借助框架上的框架和模棱两可的向量的投影，GNN可以将原子的局部环境映射到标量表示。也可以在框架上投影在本地环境中传递消息。我们进一步分析了何时以及如何构建此类本地框架。我们证明，当局部环境没有对称性时，局部框架总是存在的，就像分子动力学模拟中一样。对于对称分子，尽管只能构建退化框架，但我们发现，由于自由度降低，在某些常见情况下，局部框架方法仍可能达到高表达能力。仅使用标量表示，我们可以采用现有的简单和强大的GNN体系结构。我们的模型在实验中的表现优于一系列最先进的基线。更简单的体系结构也可以提高更高的可扩展性。与最快的基线相比，我们的模型仅需30％的推理时间。