EDBench发布，AI驱动分子建模迈入「电子级」时代

作者 | 论文团队

编辑 | ScienceAI

在药物设计、新材料开发等领域，精确模拟分子行为至关重要。传统的机器学习力场将分子视为由原子核和化学键构成的“骨架”，却忽略了真正决定分子性质的“灵魂”——电子

电子密度，这一量子化学中的核心物理量，描述了电子在空间中的分布概率，从根本上决定了分子的能量、反应活性等所有性质。然而，通过量子化学计算获取电子密度数据成本极高，严重阻碍了该方向的研究。

近日，湖南大学/国家超算长沙中心联合宁波东方理工大学、香港科技大学（广州）AIMS Lab、华东师范大学、中国科学技术大学等团队在国际顶会NeurIPS 2025（神经信息处理系统大会，AI领域顶会）上发布研究成果——大规模电子密度泛函数据集EDbench

这个涵盖336万分子的“电子密度数据库”，首次填补了“电子级分子建模”的大规模数据空白，让AI预测分子性质的精度和效率实现双重突破，有望加速新药研发、新材料设计等关键领域的进程。

论文主页：https://hongxinxiang.github.io/projects/EDBench/

为什么电子密度是分子建模的“终极密码”？

在量子化学中，分子的一切性质都藏在“电子分布”里，这是Hohenberg-Kohn定理的核心结论。打个比方：如果把分子比作“智能手机”，传统AI分子建模（MLFFs）只关注“硬件零件（原子）”的排列，却忽略了“操作系统（电子）”的逻辑；而电子密度（ED）就是“操作系统的源代码”，能直接解锁分子的“底层功能”。

图（a）展示了从原子级到电子级的MLFF范式升级，其中电子密度（ED）是描述电子空间分布的量子力学中的基本物理量，可以提供分子系统更细致的物理表示，但是长期以来，获取ED数据堪称“两难”：

• 实验测量（如X射线衍射）依赖千万级设备，单种分子的ED数据需数月才能获取；
• 理论计算（DFT）虽通用，但算一个小分子要245秒，想攒“百万级数据集”需单核心连续计算23年。

这就导致AI分子建模始终卡在“原子级”——比如预测药物分子与靶点的结合活性时，传统模型只能通过“原子间距”间接推断，却看不到“电子富集区”的真实作用，精度往往差强人意。

EDBench数据集：规模与质量的双重突破

本论文中，EDBench的建成正好解决了该领域长期存在的“数据荒”问题，该数据集的创建并不是“简单攒数据”，而是“精度、规模、实用性”的多重考量。

1.规模突破：336万分子的“算力攻坚”

从细节角度来看，图（b）展示了数据集构建中的DFT计算流程，该流程是通过自洽场（SCF）迭代来实现的，从宏观角度来看，EDBench基于PCQM4Mv2数据集构建，涵盖3,359,472个类药分子，规模超同类成果：

• 材料领域经典ED数据MP仅含12万条数据，且无量子性质标注；
• 药物领域最大电子相关数据集∇²DFT虽有190万条，但不含直接ED分布（仅密度矩阵）。

更重要的是，EDBench输出的是CUBE格式的3D电子密度云图——相当于给每个分子拍了“电子CT”，能直接看到电子在原子周围的富集程度。

2.精度控制：从泛函到基组的“定制化方案”

为了让ED数据符合真实量子规律，团队基于图（c）中Jacob’s ladder做了三重优化：

• 泛函选择：选用B3LYP混合泛函——这是量子化学的“万金油”，在合成化学、药物研发等领域经过验证，能平衡电子相关性描述与计算效率；
• 基组适配：普通分子用6-31G基组，含硫分子追加6-31+G基组——因为硫原子的电子离域性强，普通基组会低估其ED分布；
• 自旋适配：自动切换RHF/UHF参考波函数——闭壳层分子（如甲烷）用RHF，开壳层分子（如氧分子）用UHF，避免自旋污染导致的误差。

3.标注维度：AI建模的“全要素养料”

EDBench不止提供ED数据，还同步输出6类能量成分（核排斥能、交换关联能等）、7种轨道能量（HOMO-2至LUMO+3）、4类偶极矩（X/Y/Z分量及模长）。这种“多维度标注”正是AI突破“单任务拟合”的关键——例如，模型可通过“ED分布→轨道能量→反应活性”的链式学习，实现更本质的性质预测。

三大基准任务：验证AI的“电子理解能力”

为避免数据集“只存不用”，团队设计了覆盖ED核心应用场景的基准任务，均采用scaffold split（OOD泛化性测试），直击AI建模的真实痛点。

1.量子性质预测：ED比原子特征强在哪？

4个子任务中，X-3D（点云模型）的表现印证了ED的优势：

• ED5-OE（轨道能量预测）：HOMO能量MAE仅0.0198 eV，较原子级模型（MAE≈0.03 eV）精度提升34%——因为轨道能量与局部ED分布直接相关，AI能快速捕捉“电子富集区”的微观特征；
• ED5-OCS（开/闭壳层分类）：AUPR达61.54%，解决了传统模型“分不清电子态”的核心难题——开壳层分子（如自由基）的ED分布呈“不对称性”，AI能通过这种特征精准分类。

2.跨模态检索：“结构-密度”双向对齐的突破

ED5-MER任务中，模型需实现“分子结构→ED”和“ED→分子结构”的双向检索，这对药物虚拟筛选、材料逆设计至关重要。

图中清晰展示：EquiformerV2（分子结构编码器）+X-3D（ED编码器）的组合表现最优，ED→MS检索Top-1准确率达78.71%，MS→ED达78.36%。这意味着：给一张实验测得的电子云图，AI能精准匹配对应的分子结构；反之，输入分子结构也能快速生成ED分布，为“电子驱动的逆设计”奠定基础。

3. ED生成：1.8万倍提速的“DFT平替方案”

团队提出HGEGNN异构图模型（将原子与电子作为双类型节点），输入分子结构即可生成ED：

• 速度：0.013秒/分子，较DFT（245秒/分子）提速18907倍；
• 质量：生成ED的Pearson相关达99.2%，且用于下游能量预测时，MAE较DFT原始数据降低11%（209.29→186.38）——AI生成的ED因过滤了DFT计算的噪声，反而更适合模型学习。

生成ED的质量“反超”DFT？

上述HGEGNN异构图模型引出了一个颠覆性发现：AI生成ED数据，在下游任务中表现竟优于DFT原始数据。

团队用HGEGNN生成3组ED数据（G#1、G#2、G#3），替换ED5-EC任务中的DFT数据，训练PointVector模型后发现：生成数据的平均MAE从209.29降至186.38，相对提升11%。

图中蓝色柱DFT数据的模型表现，绿色柱为AI生成数据的表现——这并非说明AI生成的ED“更符合物理真实”，而是其“更平滑的分布”更契合深度学习模型的归纳偏好，减少了DFT计算中的数值噪声，为“高效-高精度建模”提供了新思路。

参数玄机：阈值与采样点如何影响性能？

ED数据的“高维度”（百万级采样点）可能导致模型效率低下，团队通过消融实验找到最优参数。

左图（a）显示：随着ED阈值ρτ从0.05增至0.2，PointVector在ED5-EC任务的MAE从346.36降至209.29；但ρτ超过0.2后，性能反而下降——因为过高的阈值会过滤掉化学键附近的低密度电子（化学活性区），这提示：ρτ=0.2是“信息保留与效率”的黄金平衡点。

对AI for Science的启示：从“拟合”到“理解”

EDBench的价值远超“一个数据集”：它首次证明了“电子级表征”在AI建模中的可行性，为几何深度学习（GDL）开辟了新方向——过去GDL聚焦“原子间对称关系”，现在可转向“电子密度的空间连续性”建模。

目前，EDBench的全部数据（含CUBE格式电子云图）、代码及可视化工具已通过哈佛Dataverse开放：

https://dataverse.harvard.edu/dataverse/EDBench

正如团队通讯作者所言：“EDBench”不是终点，而是让AI“看懂电子”的起点——当模型能真正理解电子分布，新药研发、新材料设计才有可能从“试错”走向“预测”。