3D分子生成のためのフレームベース等変拡散モデル
なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。
arXiv:2509.19506v1発表タイプ：新規
概要：最近の分子生成手法は、コストの高いアーキテクチャを用いて厳密な等変性を維持するか、スケーラビリティと柔軟性を高めるために等変性を緩和するかというトレードオフに直面している。本研究では、対称性の処理をバックボーンから切り離しながら、決定論的なE(3)等変性を実現するフレームベースの拡散パラダイムを提案する。このパラダイムに基づき、共有分子フレームを割り当てるGlobal Frame Diffusion (GFD)、ノード固有のフレームを構築し、追加の整列制約から恩恵を受けるLocal Frame Diffusion (LFD)、および事前正規化された不変表現に依存するInvariant Frame Diffusion (IFD)の3つの変種を検討する。表現力の向上のため、エッジ認識アテンションを備えたDiffusion TransformerであるEdgeDiTも利用する。
QM9データセットにおいて、EdgeDiTを用いたGFDは、標準スケールで-137.97、倍スケールで-141.85というテストNLLで最先端の性能を達成し、原子安定性は98.98%、分子安定性は90.51%であった。これらの結果は、高い妥当性と一意性を維持しながら、全ての等変性ベースラインを上回り、EDMと比較して約2倍の高速サンプリングを実現した。全体として、本研究は、フレームベースの拡散を、スケーラブルで柔軟性があり、物理的に根拠のある分子生成パラダイムとして確立し、グローバル構造保存の重要性を強調している。
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Title (EN): Frame-based Equivariant Diffusion Models for 3D Molecular Generation
arXiv:2509.19506v1 Announce Type: new
Abstract: Recent methods for molecular generation face a trade-off: they either enforce strict equivariance with costly architectures or relax it to gain scalability and flexibility. We propose a frame-based diffusion paradigm that achieves deterministic E(3)-equivariance while decoupling symmetry handling from the backbone. Building on this paradigm, we investigate three variants: Global Frame Diffusion (GFD), which assigns a shared molecular frame; Local Frame Diffusion (LFD), which constructs node-specific frames and benefits from additional alignment constraints; and Invariant Frame Diffusion (IFD), which relies on pre-canonicalized invariant representations. To enhance expressivity, we further utilize EdgeDiT, a Diffusion Transformer with edge-aware attention.
On the QM9 dataset, GFD with EdgeDiT achieves state-of-the-art performance, with a test NLL of -137.97 at standard scale and -141.85 at double scale, alongside atom stability of 98.98%, and molecular stability of 90.51%. These results surpass all equivariant baselines while maintaining high validity and uniqueness and nearly 2x faster sampling compared to EDM. Altogether, our study establishes frame-based diffusion as a scalable, flexible, and physically grounded paradigm for molecular generation, highlighting the critical role of global structure preservation.
Published: 2025-09-24 19:00 UTC