Machine learning of accurate energy-conserving molecular force fields

计算机科学 能量(信号处理) 人工智能 物理 量子力学
作者
Stefan Chmiela,Alexandre Tkatchenko,Huziel E. Sauceda,Igor Poltavsky,Kristof T. Schütt,Klaus‐Robert Müller
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:3 (5) 被引量:1034
标识
DOI:10.1126/sciadv.1603015
摘要

Using conservation of energy - a fundamental property of closed classical and quantum mechanical systems - we develop an efficient gradient-domain machine learning (GDML) approach to construct accurate molecular force fields using a restricted number of samples from ab initio molecular dynamics (AIMD) trajectories. The GDML implementation is able to reproduce global potential energy surfaces of intermediate-sized molecules with an accuracy of 0.3 kcal $\text{mol}^{-1}$ for energies and 1 kcal $\text{mol}^{-1}$ $\text{\AA}^{-1}$ for atomic forces using only 1000 conformational geometries for training. We demonstrate this accuracy for AIMD trajectories of molecules, including benzene, toluene, naphthalene, ethanol, uracil, and aspirin. The challenge of constructing conservative force fields is accomplished in our work by learning in a Hilbert space of vector-valued functions that obey the law of energy conservation. The GDML approach enables quantitative molecular dynamics simulations for molecules at a fraction of cost of explicit AIMD calculations, thereby allowing the construction of efficient force fields with the accuracy and transferability of high-level ab initio methods.
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