ハミルトニアン・グラフ推論ネットワーク:軌道データから格子ハミルトニアン系の構造発見とダイナミクス予測を同時に行う

arXiv cs.LG / 2026/4/28

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要点

  • 本論文は、状態(軌道)データのみから格子ハミルトニアン系の相互作用トポロジーと長時間ダイナミクスの両方を学習するHGINを提案している。
  • 従来手法が「グラフが既知」または「可分ハミルトニアンかつノード動力学が同質」といった制約を置いていたのに対し、HGINは可分・非可分の双方のハミルトニアンに対応し、さらにノードの不均一性も扱える。
  • HGINは、ハミルトンの方程式損失で学習する重み付き隣接行列による構造学習モジュールと、エッジを物理的に異なるサブグラフへクラスタリングして各クラスタに別々のエンコーダを割り当てる軌道予測モジュールを組み合わせ、通常のGNNのパラメータ共有ボトルネックを回避する。
  • 3つの格子ベンチマーク(長距離相互作用を含むKlein–Gordon、同質/異質の離散非線形シュレーディンガー)で、ベースラインに比べて長時間のエネルギー予測誤差と軌道予測誤差が6〜13桁のオーダーで改善することを示している。
  • ハミルトニアン損失に対する対称性に基づく解析により、学習された隣接重みが基底となるペアポテンシャルのパリティ(偶奇)を表しており、相互作用構造の解釈可能な読み出しが得られることが示唆される。

Abstract

Lattice Hamiltonian systems underpin models across condensed matter, nonlinear optics, and biophysics, yet learning their dynamics from data is obstructed by two unknowns: the interaction topology and whether node dynamics are homogeneous. Existing graph-based approaches either assume the graph is given or, as in \alpha-separable graph Hamiltonian network, infer it only for separable Hamiltonians with homogeneous node dynamics. We introduce the Hamiltonian Graph Inference Network (HGIN), which jointly recovers the interaction graph and predicts long-time trajectories from state data alone, for both separable and non-separable Hamiltonians and under heterogeneous node dynamics. HGIN couples a structure-learning module -- a learnable weighted adjacency matrix trained under a Hamilton's-equations loss -- with a trajectory-prediction module that partitions edges into physically distinct subgraphs via k-means clustering, assigning each subgraph its own encoder and thereby breaking the parameter-sharing bottleneck of conventional GNNs. On three benchmarks -- a Klein--Gordon lattice with long-range interactions and two discrete nonlinear Schr\"odinger lattices (homogeneous and heterogeneous) -- HGIN reduces long-time energy prediction error and trajectory prediction error by six to thirteen orders of magnitude relative to baselines. A symmetry argument on the Hamiltonian loss further shows that the learned weights encode the parity of the underlying pair potential, yielding an interpretable readout of the system's interaction structure.