Q-Chem - Q-Chem - Wikipedia

Q-Chem
Logo Q-Chem.png
VývojářiQ-Chem Inc., komunita vývojářů Q-Chem
Stabilní uvolnění
5.2.2 / prosinec 2019; před 1 rokem (2019-12)
NapsánoFortran, C, C ++
Operační systémLinux, FreeBSD, Unix a jako operační systémy, Microsoft Windows, Mac OS X
TypAb initio kvantová chemie, Teorie funkční hustoty, QM / MM, AIMD, Výpočetní chemie
LicenceObchodní, akademické
webová stránkawww.q-chem.com

Q-Chem je univerzální balíček elektronických struktur[1][2] s řadou zavedených a nových metod implementovaných pomocí inovativních algoritmů, které umožňují rychlé výpočty velkých systémů na různých počítačových architekturách, od notebooků a běžných laboratorních pracovních stanic až po klastry střední velikosti a HPCC hustota funkční a přístupy založené na vlnové funkci. Nabízí integrované grafické rozhraní a vstupní generátor; velký výběr funkcionálů a korelačních metod, včetně metod pro elektronicky vzrušené stavy a otevřené systémy; solvatační modely; a nástroje pro analýzu vlnových funkcí. Kromě obsluhy výpočetní chemie[3] komunita, Q-Chem také poskytuje univerzální platformu pro vývoj kódu.

Dějiny

Software Q-Chem je udržován a distribuován společností Q-Chem, Inc.,[4] se sídlem v Pleasanton, Kalifornie, USA. Byla založena v roce 1993 na základě neshod uvnitř EU Gaussian společnost, která vedla k odchodu (a následnému "zákazu") společnosti John Pople a řada jeho studentů a postdoktorandů (viz Kontroverze o Gaussově licenci[5]).[4][6]

První řádky kódu Q-Chem napsal Peter Gill, v té době postdoktorand Lidi, během zimní dovolené (prosinec 1992) v Austrálii. Gill se brzy přidal Benny Johnson (a Lidi postgraduální student) a Carlos Gonzalez (další Lidi postdoc), ale ten krátce nato společnost opustil. V polovině roku 1993 Martin Head-Gordon, dříve a Lidi student, ale v té době na Berkeley tenure track, připojil se k rostoucímu týmu akademických vývojářů.[4][6]

Pohlednice inzerující vydání Q-Chem 1.0.

V rámci přípravy na první komerční vydání společnost najala Eugena Fleischmanna jako marketingového ředitele a získala její URL www.q-chem.com v lednu 1997. První komerční produkt, Q-Chem 1.0, byl uveden na trh v březnu 1997. Reklamní pohlednice oslavily vydání s hrdým nadpisem: „Problémy, které byly kdysi nemožné, jsou nyní rutinou“; verze 1.0 však měla mnoho nedostatků a vtip kdysi poznamenal, že slova „nemožné“ a „rutina“ by měla být pravděpodobně zaměňována![6] Intenzivní vývoj kódu však pokračoval a v následujícím roce byl Q-Chem 1.1 schopen nabídnout většinu základních kvantová chemie funkčnost i rostoucí seznam funkcí (kontinuální metoda rychlých více pólů, modul J-matrix, COLD PRISM pro integrály a G96 hustota funkční, například), které nebyly k dispozici v žádném jiném balíčku.[4][6]

Po neúspěchu, když Johnson odešel, se společnost stala decentralizovanější a navázala a kultivovala vztahy se stále rostoucím okruhem výzkumných skupin na univerzitách po celém světě. V roce 1998 Fritz Schaefer přijal pozvání do představenstva a počátkem roku 1999, jakmile s ním nesouhlasí Gaussian vypršela, John Pople nastoupil jako ředitel a vývojář kódu.[4][6]

V roce 2000 společnost Q-Chem navázala spolupráci se společností Wavefunction Inc., která vedla k začlenění společnosti Q-Chem jako ab initio motor ve všech následujících verzích balíčku Spartan. Rada Q-Chem byla rozšířena v březnu 2003 přidáním Anna Krylov a Jing Kong. V roce 2012 nastoupil do představenstva John Herbert a Fritz Schaefer se stal emeritním členem. V roce 2018 byl Evgeny Epifanovsky jmenován provozním ředitelem. Následující rok se do správní rady připojila Shirin Faraji; Peter Gill, který byl prezidentem Q-Chem od roku 1988, odstoupil; a Anna Krylov se stal novým prezidentem. Aktivní představenstvo v současné době tvoří Faraji, Gill (bývalý prezident), Herbert, Krylov (Prezident) a Hilary Pople (John dcera). Martin Head-Gordon zůstává vědeckým poradcem správní rady.[4][6]

V současné době se používají tisíce licencí Q-Chem a uživatelská základna Q-Chem se rozšiřuje, jak dokládají citační záznamy pro verze 2.0, 3.0 a 4.0, které v roce 2016 dosáhly 400 ročně (viz obrázek 2).[6]

Obr. 2. Citace na Q-Chem: 2001 až 2019.

Jako součást IBM Světová komunitní mřížka, Harvard provádí každý den asi 350 000 výpočtů Q-Chem Projekt čisté energie,[7] který je poháněn společností Q-Chem.

Obrázek 3. Statistika aktivity vývojářů Q-Chem od roku 2006. Horní graf: Celkový počet potvrzení kódu (výška pruhů) a počet přispívajících vývojářů (barva pruhu) podle měsíce. Spodní graf: Růst vývojářské základny, zobrazující stávající i nové vývojáře každý měsíc. Je vidět stabilní růst vývojářské základny. Vložka zobrazuje celkový počet závazků 50 nejplodnějších vývojářů, přičemž ukazuje příspěvky týmu na plný úvazek (více než 2 000 závazků), hlavního vývojářského týmu (500–2 000 závazků) a vedlejších vývojářů (<500 závazků) .

Inovativní algoritmy a nové přístupy k elektronické struktuře umožňují špičkové vědecké objevy. Tento přechod, od interního kódu k hlavnímu modulu elektronické struktury, je možný díky příspěvkům mnoha vědeckých spolupracovníků; obchodní model Q-Chem podporuje širokou účast vývojářů. Q-Chem definuje svůj žánr jako open-teamware:[6] jeho zdrojový kód je otevřený velké skupině vývojářů. Některé moduly Q-Chem jsou navíc distribuovány jako open source.[6] Od roku 1992 bylo vývoji kódu věnováno více než 400 let (a žen). Q-Chem 5.2.2, vydaný v prosinci 2019, se skládá ze 7,5 milionu řádků kódu, který zahrnuje příspěvky více než 300 aktivních vývojářů (aktuální odhad je 312).[4][6] Viz obrázek 3.

Funkce

Q-Chem může provádět řadu obecných výpočtů kvantové chemie, například Hartree – Fock, hustota funkční teorie (DFT) včetně časově závislého DFT (TDDFT ), Møller – Plessetova teorie rušení (MP2), spojený klastr (CC), pohybová rovnice sdružený klastr (EOM-CC),[8][9][10] interakce konfigurace (CI), algebraická diagramová konstrukce (ADC) a další pokročilé metody elektronické struktury. Q-Chem také zahrnuje QM / MM funkčnost. Verze Q-Chem 4.0 a vyšší přicházejí s grafickým uživatelským rozhraním, IQMol, který zahrnuje generátor hierarchického vstupu, molekulární builder a obecné vizualizační schopnosti (MO, hustoty, molekulární vibrace, reakční dráhy atd.). IQMol vyvinul Andrew Gilbert (v koordinaci s Q-Chem) a je distribuován jako bezplatný open-source software. IQmol je napsán pomocí knihoven Qt, což umožňuje jeho provoz na řadě platforem, včetně OS X, Widows a Linux. Poskytuje intuitivní prostředí pro nastavení, spuštění a analýzu výpočtů Q-Chem. Může také číst a zobrazovat různé formáty souborů, včetně široce dostupného formátovaného formátu kontrolního bodu. Úplný aktuální seznam funkcí je zveřejněn na webových stránkách Q-Chem a v uživatelské příručce.[4]

Kromě toho je Q-Chem propojen s WebMO a používá se jako výpočetní modul v Sparťan, nebo jako back-end k CHARMM, GROMACS a ChemShell. Další populární vizualizační programy jako např Jmol a Molden lze také použít.

V roce 2018 společnost Q-Chem navázala partnerství s BrianQC, produkovaný StreamNovation, Ltd., nový integrovaný modul využívající výpočetní výkon GPU. Zásuvný modul BrianQC urychluje výpočty Q-Chem využitím výhod GPU na smíšených architekturách, což je vysoce efektivní pro simulaci velkých molekul a rozšířených systémů. BrianQC je první software pro kvantovou chemii GPU schopný vypočítat orbitaly s velkým momentem hybnosti.

Metody soběstačného pole základního stavu

  • Omezené, neomezené a omezené otevřené formulace
  • Analytické první a druhé derivace pro optimalizaci geometrie, harmonickou frekvenční analýzu a ab initio molekulární dynamiku
  • Efektivní algoritmy pro rychlou konvergenci
  • Různé možnosti hádání (včetně MOM)

Teorie funkční hustoty

  • Rozmanitost místních, GGA, mGGA, hybridních, dvojitých hybridních, disperzně korigovaných, funkčně oddělených funkcí (energie a analytické první a druhé derivace)
  • Formulace TDDFT a spin-flip-TDDFT (energie a přechody)
  • Omezený DFT

Inovativní algoritmy pro rychlejší výkon a snížené měřítko integrálních výpočtů, HF / DFT a metod s více těly

  • Duální základ
  • Řešení identity
  • Choleský rozklad elektronových odpuzujících integrálů
  • Kontinuální rychlá vícepólová metoda (CFMM)
  • Rychlá numerická integrace výměny korelace s mrXC (multirezoluční výměna korelace)
  • Metoda lineární změny měřítka HF-výměna (LinK)
  • Fourierova transformace Coulombova metoda (FTC)
  • STUDENÝ PRISM a motor J-matrix
  • Aritmetika se smíšenou přesností pro korelované metody[11]

Metody Post Hartree – Fock

  • MP2[12][13] (včetně RI-MP2,[14][15][16] energie a analytické přechody)
  • SCS a SOS MP2
  • CCD, QCISD, CCSD, OOCCD, VOOCCD
  • Opravy (T), (2), (dT) a (fT)
  • Metody EOM-XX-CCSD pro otevřené a elektronicky vzrušené druhy (XX = EE, SF, IP, EA, DIP, DEA, 2SF; energie, vlastnosti a přechody pro většinu metod),[8][9][10] včetně komplexních variant pro léčbu rezonancí (stavy metastabilní s ohledem na oddělení elektronů)[11]
  • Rozšíření DFT a metod mnoha těl k léčbě stavů na základní úrovni a souvisejících spektroskopií[17]
  • Metody ADC
  • Metody CIS, TDDFT, CIS (D) a SOS-CIS (D) pro vzrušené stavy
  • Rozmanitost implicitních solventních modelů
  • Nástroje pro analýzu vlnových funkcí aktivované knihovnou libwfa vyvinutou Felixem Plasserem a spolupracovníky[18]

Metody QM / MM a QM / EFP pro rozšířené systémy

  • Janus QM / MM rozhraní
  • Model atomu YinYang bez propojených atomů
  • Model ONIOM
  • EFP metoda (včetně knihovny účinných fragmentů, rozhraní EFP s CC / EOM, DFT / TDDFT a dalších metod)[19][20][21][22]

Historie verzí

Počínaje Q-Chem 2.0 jsou zobrazeny pouze hlavní verze verzí.

  • Q-Chem 1.0: březen 1997
  • Q-Chem 1.1: 1997[23]
  • Q-Chem 1.2 1998[24]
  • Q-Chem 2.0: 2000[1]
  • Q-Chem 3.0: 2006[2]
  • Q-Chem 4.0: únor 2012[25]
  • Q-Chem 5.0: červen 2017[26]
  • Q-Chem 5.2.2: prosinec 2019

Média

Tento software je součástí řady webinářů a pokročilých cvičení na vlastním kanálu YouTube: Software QChem.

Rychlý úvod do Q-Chem (https://www.youtube.com/watch?v=vksM8pUYdlI )

Viz také

Reference

  1. ^ A b Kong, Jing; White, Christopher A .; Krylov, Anna I.; Sherrill, David; Adamson, Ross D .; Furlani, Thomas R .; Lee, Michael S .; Lee, Aaron M .; Gwaltney, Steven R. (2000). „Q-Chem 2.0: vysoce výkonný programový balíček elektronické struktury ab initio“. Journal of Computational Chemistry. 21 (16): 1532. CiteSeerX  10.1.1.318.9340. doi:10.1002 / 1096-987X (200012) 21:16 <1532 :: AID-JCC10> 3.0.CO; 2-W.
  2. ^ A b Shao, Y .; Molnar, L. F .; Jung, Y .; Kussmann, J .; Ochsenfeld, C .; Brown, S. T .; Gilbert, A. T .; Slipchenko, L. V .; Levchenko, S. V .; O'Neill, D. P .; Distasio Jr, R. A .; Lochan, R. C .; Wang, T .; Beran, G. J .; Besley, N. A .; Herbert, J. M .; Lin, C. Y .; Van Voorhis, T .; Chien, S. H .; Sodt, A .; Steele, R. P .; Rassolov, V. A .; Maslen, P.E .; Korambath, P. P .; Adamson, R. D .; Austin, B .; Baker, J .; Byrd, E. F .; Dachsel, H .; et al. (2006). "Pokroky v metodách a algoritmech v moderním balíčku programů kvantové chemie". Fyzikální chemie Chemická fyzika. 8 (27): 3172–3191. Bibcode:2006PCCP .... 8.3172S. doi:10.1039 / b517914a. PMID  16902710.
  3. ^ Young, David C. (2001). „Dodatek A. A.2.7 Q-Chem“. Výpočtová chemie: Praktický průvodce aplikací technik na problémy reálného světa. Wiley-Interscience. p. 339. doi:10.1002/0471220655. ISBN  978-0-471-33368-5.
  4. ^ A b C d E F G h „Kvantový výpočetní software; Molekulární modelování; Vizualizace“. www.q-chem.com. Citováno 2020-01-22.
  5. ^ Zakázán Gaussianem
  6. ^ A b C d E F G h i j Krylov, Anna I.; Gill, Peter M.W. (květen 2013). „Q-Chem: motor pro inovace“. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 3 (3): 317–326. doi:10,1002 / wcms.1122.
  7. ^ „Projekt čisté energie“. Archivovány od originál dne 04.04.2011. Citováno 2012-02-10.
  8. ^ A b A.I. Krylov (2008). „Metody pohybové rovnice spojené se shlukem pro otevřené a elektronicky vzrušené druhy: Stopařův průvodce Fockovým prostorem“ (PDF). Roční přehled fyzikální chemie. 59: 433–462. Bibcode:2008ARPC ... 59..433K. doi:10,1146 / annurev.physchem. 59,032607,093602. PMID  18173379.
  9. ^ A b K. Sneskov; O. Christiansen (2011). Msgstr "Klastrové metody spojené se vzrušeným stavem". Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science.
  10. ^ A b R.J. Bartlett (2012). "Teorie vázaných klastrů a její rozšíření pohybové rovnice". Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2: 126. doi:10,1002 / wcms.76.
  11. ^ A b Pokhilko, Pavel; Epifanovsky, Evgeny; Krylov, Anna I. (2018-08-14). „Pro výpočty na více tělech není nutná dvojitá přesnost: mimořádná konvenční moudrost“. Journal of Chemical Theory and Computation. 14 (8): 4088–4096. doi:10.1021 / acs.jctc.8b00321. ISSN  1549-9618. PMID  29969560.
  12. ^ Chr. Møller & M. S. Plesset (říjen 1934). „Poznámka k aproximačnímu zpracování mnohaelektronových systémů“ (PDF). Fyzický přehled. 46 (7): 618–622. Bibcode:1934PhRv ... 46..618M. doi:10.1103 / PhysRev.46.618.
  13. ^ Head-Gordon, Martin; Pople, John A .; Frisch, Michael J. (1988). Msgstr "Hodnocení energie MP2 přímými metodami". Dopisy o chemické fyzice. 153 (6): 503–506. Bibcode:1988CPL ... 153..503H. doi:10.1016/0009-2614(88)85250-3.
  14. ^ Martin Feyereisena, George Fitzgeralda a Andrew Komornickib (10. května 1993). „Škálované odchylky odchylky druhého řádu u konfiguračních interakčních singlů: efektivní a spolehlivé metody excitační energie“. Dopisy o chemické fyzice. 208 (5–6): 359–363. Bibcode:1993CPL ... 208..359F. doi:10.1016 / 0009-2614 (93) 87156-W.
  15. ^ Florian Weigend a Marco Häser (13. října 1997). „RI-MP2: první deriváty a globální konzistence“. Účty teoretické chemie. 97 (1–4): 331–340. doi:10,1007 / s002140050269.
  16. ^ Robert A. Distasio JR .; Ryan P. Steele; Young Min Rhee; Yihan Shao a Martin Head-Gordon (15. dubna 2007). „Vylepšený algoritmus pro analytické vyhodnocení gradientu v teorii perturbací Møller-Plesset druhého řádu s rozlišením identity: Aplikace na konformační analýzu alanin tetrapeptidu“. Journal of Computational Chemistry. 28 (5): 839–856. doi:10.1002 / jcc.20604. PMID  17219361.
  17. ^ Webinář 36 - Spektroskopie na úrovni jádra v Q-Chem 5.2 - představila prof. Anna Krylov, USC, vyvoláno 2020-01-12
  18. ^ Plasser, Felix; Wormit, Michael; Dreuw, Andreas (2014-07-14). „Nové nástroje pro systematickou analýzu a vizualizaci elektronických buzení. I. Formalismus“ (PDF). The Journal of Chemical Physics. 141 (2): 024106. doi:10.1063/1.4885819. ISSN  0021-9606. PMID  25027998.
  19. ^ SLEČNA. Gordon; M.A. Freitag; P. Bandyopadhyay; J.H. Jensen; V. Kairys; W. J. Stevens (2001). „Metoda efektivního fragmentárního potenciálu: MM přístup založený na QM k modelování vlivů prostředí na chemii. Journal of Physical Chemistry A. 105 (2): 203. Bibcode:2001JPCA..105..293G. doi:10.1021 / jp002747h.
  20. ^ SLEČNA. Gordon, L. Slipchenko, H.Li, J.H. Jensen (2007). "Efektivní fragmentový potenciál: Obecná metoda pro predikci mezimolekulárních interakcí". Ve společnosti D.C. Spellmeyer; R. Wheeler (eds.). Svazek 3 výročních zpráv ve výpočetní chemii. Elsevier. 177–193.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  21. ^ L.V. Slipchenko (2010). "Řešení excitovaných stavů chromoforů v polarizovatelném prostředí: orbitální relaxace versus polarizace". Journal of Physical Chemistry A. 114 (33): 8824–30. Bibcode:2010JPCA..114,8824S. doi:10.1021 / jp101797a. PMID  20504011.
  22. ^ D. Ghosh; D. Kosenkov; V. Vanovschi; C. Williams; J. Herbert; SLEČNA. Gordon; M. Schmidt; L.V. Slipchenko; A.I. Krylov (2010). „Nekovalentní interakce v rozšířených systémech popsané metodou efektivního potenciálu fragmentů: teorie a aplikace na oligomery nukleobází“. Journal of Physical Chemistry A. 114 (48): 12739–12754. Bibcode:2010JPCA..11412739G. doi:10.1021 / jp107557p. PMC  2997142. PMID  21067134.
  23. ^ B.G. Johnson; P.M.W. Žábry; M. Head-Gordon; C.A. Bílý; D.R. Maurice; T.R. Adams; J. Kong; M. Challacombe; E. Schwegler; M. Oumi; C. Ochsenfeld; N. Ishikawa; J. Florian; R.D. Adamson; J.P. Dombroski; R.L. Graham a A.Warshel (1997). Q-Chem, verze 1.1. Pittsburgh: Q-Chem, Inc.
  24. ^ C.A. Bílý; J. Kong; D.R. Maurice; T.R. Adams; J. Baker; M. Challacombe; E. Schwegler; J.P. Dombroski; C. Ochsenfeld; M. Oumi; T.R. Furlani; J. Florian; R.D. Adamson; N. Nair; DOPOLEDNE. Závětří; N. Ishikawa; R.L. Graham; A. Warshel; B.G. Johnson; P.M.W. Žábry; M. Head-Gordon (1998). Q-Chem, verze 1.2. Pittsburgh: Q-Chem, Inc.
  25. ^ „Nové funkce - Q-Chem 4.1“.
  26. ^ „Protokol vydání - Q-Chem, výpočetní a vizualizační software kvantové chemie“.

externí odkazy