大規模電子状態計算を用いた光合成アンテナ複合体に関する研究

利用大规模电子结构计算研究光合天线复合体

基本信息

批准号：
06J00448
负责人：
小林正人
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

光合成アンテナ系のようなタンパク質複合体の電子状態を精度良く表すためには、現在広く用いられている密度汎関数理論(DFT)では十分でないため、波動関数理論に基づいた電子相関を含む高精度な電子状態計算の高速化が必要不可欠である。報告者はこのニーズに応えるため、全系を部分系に分割して計算を行う分割統治(DC)法に注目し、これに基づく高速な2次Moller-Plesset摂動(MP2)計算法、DC-MP2法を開発してきた(J. Chem. Phys. 127, 074103)。これにより計算コストを系の大きさNに対してほぼ線形と、従来法のN^5に対して劇的に改善することに成功した。しかし、そのプレファクターは大きく、実際の計算のためにはこの改善が求められていた。そこで、Hartree-Fockと電子相関計算の両者で同程度の精度を保つために要求される部分系の環境(バッファ領域)の大きさが異なることを用い、このプレファクターを削減するdual-level DC-MP2法を開発した。さらに、DC法をMP2よりもさらに精度の高い結合クラスター(CC)法に適用したDC-CCSD法の理論およびプログラムを開発し、線形の計算時間を保ったまま高精度の計算手法に拡張することに成功した。MP2法やCCSD法によって、動的電子相関を定量的に取り扱うことはできるが、静的電子相関はほとんど取り入れることができない。これを効率よく取り入れることができ、大規模系への適用も期待される手法にAPSG法があるが、この手法は動的電子相関を取り入れることができなかった。申請者は、APSG波動関数に対して摂動的に動的相関を取り入れる手法を開発した。これにより、結合の解離などを伴う化学反応のエネルギー局面を定量的に再現することに成功した。

目前广泛使用的密度泛函理论（DFT）不足以准确表示光合天线系统等蛋白质复合物的电子状态，加速电子结构计算至关重要。为了满足这一需求，主讲人重点研究了分治法（DC），通过将整个系统划分为子系统来进行计算，并开发了一种基于分治法的快速二阶Moller-Plesset扰动（MP2）计算方法在此方法上，DC-我们开发了 MP2 方法 (J. Chem. Phys. 127, 074103)。结果，我们成功地使计算成本与系统规模 N 几乎呈线性关系，并且与传统方法 N^5 相比得到了显着改善。但前置因子较大，实际计算需要这种改进。因此，利用在 Hartree-Fock 和电子相关计算中保持相同精度所需的子系统环境（缓冲区）大小这一事实，双电平 DC 开发了 MP2 方法。此外，我们将开发DC-CCSD方法的理论和程序，将DC方法应用于比MP2更精确的耦合簇（CC）方法，并将其扩展为高精度计算方法，同时保持线性计算时间成功。尽管MP2法和CCSD法可以定量处理动态电子相关性，但静态电子相关性很难纳入。 APSG方法是一种能够有效结合这一点的方法，有望应用于大规模系统，但该方法无法结合动态电子相关性。申请人开发了一种将动态相关性微扰地结合到APSG波函数中的方法。结果，他们成功地定量再现了涉及键解离的化学反应的能量相。