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Coupled Cluster Calculations on Large Molecular Systems

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Des simulations informatiques plus précises pour les systèmes moléculaires plus grands

Les développements réalisés par le projet financé par l'UE LCC vont ouvrir une nouvelle ère de calculs quantiques précis sur les grands réseaux moléculaires comme les nanoparticules et les protéines.

Recherche fondamentale

Au cours des trois dernières décennies, il est devenu de plus en plus courant d'interpréter divers phénomènes chimiques macroscopiques et mécanismes réactionnels en termes d'interactions spécifiques inter- et intramoléculaires. Aujourd'hui, ce n'est pas seulement le cas dans les domaines classiques de la physique et de chimie, mais aussi dans les domaines modernes tels que les sciences naturelles comme la biologie moléculaire et la nanotechnologie. Donc, la chimie quantique, ou l'application de la mécanique quantique aux systèmes et phénomènes moléculaires, est devenue un outil intégral de toutes les sciences chimiques, biologiques et matérielles. En plus de contribuer aux informations qualitatives sur les molécules et leurs différentes interactions, la chimie quantique moderne peut également fournir une meilleure compréhension des processus moléculaires, qui ne peuvent pas provenir exclusivement de ce travaux expérimentaux comme intermédiaires de réaction chimique insaisissables. 'La majorité des résultats expérimentaux sont supportés par les travaux informatiques modernes et la théorie est maintenant plus que jamais utilisée comme un appareil pour diriger et guider les futurs travaux expérimentaux au sein de l'industrie pharmaceutique et des sciences des matériaux' explique Poul Jorgensen, un chercheur du projet LCC financé par l'UE. 'En conséquence, des simulations informatiques précises sur des systèmes moléculaires de plus en plus grands sont souhaitées, non seulement par les milieux universitaires, mais aussi par divers laboratoires de recherche industriels.' Toutefois, selon Jorgensen, le problème est que les efforts de calcul se développent considérablement avec la taille du système moléculaire chaque fois qu'une précision supérieure est demandée. 'Afin de contourner ce problème de calcul, des méthodes dites de corrélation locales ont été conçues et décrivent les interactions répulsives fondamentales entre les électrons individuels de manière spatiale locale au lieu d'une manière canonique délocalisée typique', dit-il. Amélioration du code LSDalton Jorgensen faisait partie de l'équipe de recherche qui a élaboré le code de chimie quantique appelé LSDalton – un programme de dimensionnement parallèle et linéaire utilisé pour la détermination précise des énergies et des autres propriétés moléculaires pour les gros systèmes moléculaires. Maintenant, via le projet LCC, Jorgensen et son équipe ont poursuivi le développement du code LSDalton. 'Le but ultime de ce projet était d'obtenir des méthodes de groupe qui se dimensionnent linéairement avec la taille du système et où les calculs sont massivement parallèles, de telle sorte que les calculs pour des petits et des grands systèmes moléculaires requièrent le même temps de calcul', explique Jorgensen. La clé de la réalisation de cet objectif était d'exprimer la fonction d'onde de groupe couplée dans une base d'orbites Hartree-Fock (HF) locaux. 'Nous avons démontré avec succès comment une telle base HF locale peut être obtenue et nous avons décrit comment pouvaient être obtenues des énergies de groupe couplées en parallèle à dimensionnement linéaire,' explique Jorgensen. 'À différents niveaux de théorie de groupe couplé, nous avons réalisé des calculs parallèles de masse efficaces pour l'énergie et le gradient moléculaire, et dans le futur, la même technologie sera appliquée pour des méthodes de groupe couplé de niveau même supérieur pour donner non seulement l'énergie et le gradient d'une grande molécule mais aussi d'autres propriétés moléculaires telles que des énergies d'excitation et des moments de transition, bouclier nucléaire, polarisabilités et dichroïsme circulaire vibrationnel et électronique.' Une nouvelle ère pour les calculs quantiques Les développements réalisés dans le projet LCC vont ouvrir une nouvelle ère de calculs quantiques précis sur les grands réseaux moléculaires comme les nanoparticules et les protéines. 'L'amélioration des performances a le potentiel de profiter à tous les domaines de la science moléculaire et du génie en permettant des augmentation de la taille maximale des systèmes moléculaires qui peuvent être simulés et de la précision globale réalisable' explique Jorgensen. Les développements sont particulièrement intéressants dans le contexte des superordinateurs, où le temps de mur à la solution est la mesure la plus importante et où le programme de LSDalton peut être utilisé efficacement. Cela a été reconnu au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) aux États-Unis, où est situé l'un des plus grands superordinateurs, TITAN, et où le plus grand superordinateur au monde SUMMIT sera opérationnel dans environ un an. Ici, LSDalton a été utilisé avec succès pour effectuer des calculs de corrélation extrêmement grands sur TITAN. 'Le programme LSDalton poursuit maintenant son développement à l'ORNL et sera bientôt prêt à explorer de nouvelles applications difficiles sur SUMMIT sur par exemple des nanotubes de carbone, le graphène et la forme de cristal préférée des molécules organiques', déclare Jorgensen.

Mots‑clés

LCC, Union européenne, LSDalton, superordinateurs, chimie quantique

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