Force-free molecular dynamics through autoregressive equivariant networks

计算机科学 水准点(测量) 自回归模型 弹道 分子动力学 统计物理学 等变映射 计算复杂性理论 原子间势 算法 数学优化 物理系统 计算模型 物理 参考数据 复杂系统 缩小 不确定度量化
作者
Fabian L. Thiemann,Thiago Reschützegger,M. Esposito,Tseden Taddese,Juan D. Olarte-Plata,Fausto Martelli
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Nature Portfolio]
卷期号:8 (5): 764-776
标识
DOI:10.1038/s42256-026-01227-7
摘要

Abstract Molecular dynamics simulations play a crucial role in scientific research. Yet their computational cost often limits the timescales and system sizes that can be explored. Most data-driven efforts have focused on reducing the computational cost of the accurate interatomic forces required to solve the equations of motion. However, despite their success, these machine-learning interatomic potentials are still bound to small time steps. In this work, we introduce TrajCast, a transferable and data-efficient framework based on autoregressive equivariant message-passing networks, that directly updates the atomic positions and velocities, lifting the constraints imposed by traditional numerical integration. We benchmark our framework across various systems, including a small molecule, crystalline material and bulk liquid, demonstrating excellent agreement with reference molecular dynamics simulations for structural, dynamical and energetic properties. Moreover, we show that TrajCast can generalize in a zero-shot manner to unseen regions of phase space, producing physically meaningful ensembles in metastable equilibrium and out-of-equilibrium regimes beyond the training data, without compromising accuracy. Depending on the system, TrajCast allows for forecast intervals up to 30× larger than traditional MD time steps, generating over 15 ns of trajectory data per day for a solid with more than 4,000 atoms. By enabling efficient, large-scale simulations over extended timescales, TrajCast can accelerate materials discovery and explore physical phenomena beyond the reach of traditional simulations and experiments.
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