In recent years, machine-learned force fields (ML-FFs) have gained increasing popularity in the field of computational chemistry. Provided they are trained on appropriate reference data, ML-FFs combine the accuracy of ab initio methods with the efficiency of conventional force fields. However, current ML-FFs typically ignore electronic degrees of freedom, such as the total charge or spin, when forming their prediction. In addition, they often assume chemical locality, which can be problematic in cases where nonlocal effects play a significant role. This work introduces SpookyNet, a deep neural network for constructing ML-FFs with explicit treatment of electronic degrees of freedom and quantum nonlocality. Its predictions are further augmented with physically-motivated corrections to improve the description of long-ranged interactions and nuclear repulsion. SpookyNet improves upon the current state-of-the-art (or achieves similar performance) on popular quantum chemistry data sets. Notably, it can leverage the learned chemical insights, e.g. by predicting unknown spin states or by properly modeling physical limits. Moreover, it is able to generalize across chemical and conformational space and thus close an important remaining gap for today's machine learning models in quantum chemistry.


翻译:近年来,机器学力场(ML-FFs)在计算化学领域越来越受欢迎。如果在适当的参考数据方面受过培训,ML-FFs将初始方法的准确性与常规力场的效率结合起来,但是,目前的ML-FFs在作出预测时通常忽略电子自由度,如总充电或旋转,此外,他们常常假定化学地点,这在非局部效应发挥重要作用的情况下可能成问题。这项工作引进了SpookyNet,这是一个建造ML-FF的深神经网络,以明确处理电子自由度和量非位置性的电子度。ML-FFs的预测得到进一步增强,以物理动机进行修改,以改进远距离相互作用和核反射的描述。SpookyNet改进了大众量子化学数据集的当前状态(或取得类似性能),值得注意的是,它能够利用所学的化学洞察,例如预测未知的旋转状态或适当模拟物理极限。此外,它能够将化学和合规空间的模型加以普及,从而缩小机器的距离。

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