Gaussian Moments as Physically Inspired Molecular Descriptors for Accurate and Scalable Machine Learning Potentials

计算机科学 可扩展性 高斯分布 人工智能 机器学习 高斯过程 计算化学 化学 数据库
作者
Viktor Zaverkin,Johannes Kästner
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:16 (8): 5410-5421 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.0c00347
摘要

Machine learning techniques allow a direct mapping of atomic positions and nuclear charges to the potential energy surface with almost ab initio accuracy and the computational efficiency of empirical potentials. In this work, we propose a machine learning method for constructing high-dimensional potential energy surfaces based on feed-forward neural networks. As input to the neural network, we propose an extendable invariant local molecular descriptor constructed from geometric moments. Their formulation via pairwise distance vectors and tensor contractions allows a very efficient implementation on graphical processing units (GPUs). The atomic species is encoded in the molecular descriptor, which allows the restriction to one neural network for the training of all atomic species in the data set. We demonstrate that the accuracy of the developed approach in representing both chemical and configurational spaces is comparable to the one of several established machine learning models. Due to its high accuracy and efficiency, the proposed machine-learned potentials can be used for any further tasks, for example, the optimization of molecular geometries, the calculation of rate constants, or molecular dynamics.

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