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。

为了准确表达蛋白质复合物（如光合天线系统）的电子状态，广泛使用的密度功能理论（DFT）是不够的，因此加快高精度电子状态计算，包括基于波函数理论的电子相关性。为了满足这一需求，记者专注于分区和征服方法，该方法将所有系统分为子系统并执行计算，并开发了一种快速的，二次的moller-plesset扰动（MP2）计算方法和DC-MP2基于此方法（J. Chem.Chem.Chem.Chem.Chem.Chem.Chem.Chem。127，0744103）。这已经成功地改善了计算成本，该计算成本大致相对于系统的尺寸N和传统方法n^5。但是，预取子量很大，实际计算需要这种改进。因此，我们开发了一种双级DC-MP2方法，该方法通过使用子系统环境的不同大小（缓冲区区域）来降低该预成益因子，以维持Hartree-Fock和电子相关计算的相似精度。此外，我们为DC-CCSD方法开发了一个理论和程序，该方法将直流方法应用于组合群集（CC）方法，该方法比MP2更准确，并成功地将其扩展到了高度准确的计算方法，同时保持线性计算时间。动态电子相关性可以通过MP2和CCSD方法进行定量处理，但是静态电子相关几乎是不可能的。该方法可以有效地采用，并有望应用于大规模系统，但是该方法无法纳入动态电子相关性。申请人开发了一种方法，该方法将动态相关性与APSG波函数扰动。这已经成功地重现了化学反应的能量方面，该化学反应涉及键解离等。