This work presents Time-reversal Equivariant Neural Network (TENN) framework. With TENN, the time-reversal symmetry is considered in the equivariant neural network (ENN), which generalizes the ENN to consider physical quantities related to time-reversal symmetry such as spin and velocity of atoms. TENN-e3, as the time-reversal-extension of E(3) equivariant neural network, is developed to keep the Time-reversal E(3) equivariant with consideration of whether to include the spin-orbit effect for both collinear and non-collinear magnetic moments situations for magnetic material. TENN-e3 can construct spin neural network potential and the Hamiltonian of magnetic material from ab-initio calculations. Time-reversal-E(3)-equivariant convolutions for interactions of spinor and geometric tensors are employed in TENN-e3. Compared to the popular ENN, TENN-e3 can describe the complex spin-lattice coupling with high accuracy and keep time-reversal symmetry which is not preserved in the existing E(3)-equivariant model. Also, the Hamiltonian of magnetic material with time-reversal symmetry can be built with TENN-e3. TENN paves a new way to spin-lattice dynamics simulations over long-time scales and electronic structure calculations of large-scale magnetic materials.

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。

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。

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。

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。

Machine Learning (ML) interatomic models and potentials have been widely employed in simulations of materials. Long-range interactions often dominate in some ionic systems whose dynamics behavior is significantly influenced. However, the long-range effect such as Coulomb and Van der Wales potential is not considered in most ML interatomic potentials. To address this issue, we put forward a method that can take long-range effects into account for most ML local interatomic models with the reciprocal space neural network. The structure information in real space is firstly transformed into reciprocal space and then encoded into a reciprocal space potential or a global descriptor with full atomic interactions. The reciprocal space potential and descriptor keep full invariance of Euclidean symmetry and choice of the cell. Benefiting from the reciprocal-space information, ML interatomic models can be extended to describe the long-range potential including not only Coulomb but any other long-range interaction. A model NaCl system considering Coulomb interaction and the GaxNy system with defects are applied to illustrate the advantage of our approach. At the same time, our approach helps to improve the prediction accuracy of some global properties such as the band gap where the full atomic interaction beyond local atomic environments plays a very important role. In summary, our work has expanded the ability of current ML interatomic models and potentials when dealing with the long-range effect, hence paving a new way for accurate prediction of global properties and large-scale dynamic simulations of systems with defects.

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。

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。

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

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。

建模原子系统的能量和力是计算化学中的一个基本问题，有可能帮助解决世界上许多最紧迫的问题，包括与能源稀缺和气候变化有关的问题。这些计算传统上是使用密度函数理论进行的，这在计算上非常昂贵。机器学习有可能从天数或小时到秒从天数大幅提高这些计算的效率。我们建议球形通道网络（SCN）对原子能量和力进行建模。 SCN是一个图神经网络，节点代表原子并边缘其相邻原子。原子嵌入是使用球形谐波表示的一组球形函数，称为球形通道。我们证明，通过基于3D边缘方向旋转嵌入式，可以在保持消息的旋转模糊性的同时使用更多信息。虽然均衡性是理想的属性，但我们发现，通过在消息传递和聚合中放松这种约束，可以提高准确性。我们在大规模开放催化剂2020数据集中展示了最新的结果，这些数据集在能源和力量预测中，用于许多任务和指标。

我们提出了E3NN，这是一个通用框架，用于创建E（3）e术训练功能，也称为欧几里得神经网络。E3NN自然地在几何和几何张量上进行操作，这些几何和几何张量描述了3D中的系统，并在坐标系统的变化下可预测地转换。E3NN的核心是诸如张力生产类别或球形谐波函数之类的等效操作，这些功能可以组成，以创建更复杂的模块，例如卷积和注意机制。E3NN的这些核心操作可用于有效地阐明张量球场网络，3D可通道的CNN，Clebsch-Gordan Networks，SE（3）变压器和其他E（3）E（3）Equivariant网络。

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。

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。

SchNetPack is a versatile neural networks toolbox that addresses both the requirements of method development and application of atomistic machine learning. Version 2.0 comes with an improved data pipeline, modules for equivariant neural networks as well as a PyTorch implementation of molecular dynamics. An optional integration with PyTorch Lightning and the Hydra configuration framework powers a flexible command-line interface. This makes SchNetPack 2.0 easily extendable with custom code and ready for complex training task such as generation of 3d molecular structures.

3D相关的电感偏见，例如翻译不变性和旋转率偏差，对于在3D原子图（例如分子）上运行的图形神经网络是必不可少的。受到变压器在各个领域的成功的启发，我们研究了如何将这些电感偏置纳入变压器。在本文中，我们提出了Equibrouner，这是一个图形神经网络，利用了变压器体系结构的强度，并结合了基于不可减至表示（IRREPS）的$ SE（3）/e（3）$ - 均值功能。 IRREPS在通道尺寸中的编码均值信息而不使图形结构复杂化。简单性使我们能够通过用eproimiant对应物替换原始操作来直接合并它们。此外，为了更好地适应3D图，我们提出了一种新颖的模棱两可的图形注意力，该图都考虑了内容和几何信息，例如IRRERPS特征中包含的相对位置。为了提高注意力的表现力，我们用多层感知器的注意力取代了点产品的注意力，并包括非线性消息传递。我们在两个量子性能预测数据集（QM9和OC20）上进行基准测试。对于QM9，在接受相同数据分区训练的模型中，Equibourer在12个回归任务中的11个中取得了最佳结果。对于OC20，在使用IS2RE数据和IS2RS数据的培训设置下，Equibourer对最先进的模型进行了改进。复制所有主要结果的代码将很快获得。

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。

Within the glassy liquids community, the use of Machine Learning (ML) to model particles' static structure in order to predict their future dynamics is currently a hot topic. The actual state of the art consists in Graph Neural Networks (GNNs) (Bapst 2020) which, beside having a great expressive power, are heavy models with numerous parameters and lack interpretability. Inspired by recent advances (Thomas 2018), we build a GNN that learns a robust representation of the glass' static structure by constraining it to preserve the roto-translation (SE(3)) equivariance. We show that this constraint not only significantly improves the predictive power but also allows to reduce the number of parameters while improving the interpretability. Furthermore, we relate our learned equivariant features to well-known invariant expert features, which are easily expressible with a single layer of our network.

新催化剂的发现是计算化学的重要主题之一，因为它有可能加速采用可再生能源。最近开发的深度学习方法，例如图形神经网络（GNNS）开放的新机会，以显着扩大新型高性能催化剂的范围。然而，由于模棱两可的连接方案和节点和边缘的众多嵌入，特定晶体结构的图表并不是一项简单的任务。在这里，我们提出了GNN的嵌入改进，该改进已通过Voronoi Tesselation修改，并能够预测开放催化剂项目数据集中催化系统的能量。通过Voronoi镶嵌计算图的富集，并将相应的触点固体角度和类型（直接或间接）视为边缘的特征，而Voronoi体积用作节点特征。辅助方法是通过内在的原子特性（电负性，周期和组位置）富集节点表示。提出的修改使我们能够改善原始模型的平均绝对误差，最终误差等于“开放催化剂项目数据集”上每个原子的651 MeV，并且在金属中数据集上的每个原子6 MeV。同样，通过考虑其他数据集，我们表明，明智的数据选择可以将误差降低到高于每个原子阈值20 MEV的值的值。

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。