量子化学中非绝热问题的数学分析和计算方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11801016
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Nonadiabatic phenomenon has been a key research area in quantum chemistry and related applied mathematics, where the lack of systematic treatments to the multi-level, multiscale and high-dimensional quantum system remains the main challenges. In this project, we aim to focus on two aspects of the filed: the mixed quantum-classical dynamics, and thermal averages of multi-level quantum systems. For the dynamical part, my collaborator, Jianfeng Lu (Duke University) and I have developed a surface hopping algorithm based on frozen Gaussian approximation for semiclassical matrix Schrödinger equations, in the spirit of Tully’s fewest switches surface hopping method. The resulting algorithm can be viewed as a path integral stochastic representation of the semiclassical matrix Schrödinger equations. Although we have obtained some recognition from our quantum chemistry colleagues, there are still many remaining issues to be understood, including the possible challenges in many quantum energy levels, the implementations difficulties in some realistic scientific problems and optimizations issues due to the freedom within the algorithms, etc. For the thermal average part, Jianfeng and I have proposed a novel ring polymer representation for multi-level quantum system, and a path integral molecular dynamics with surface hopping (PIMD-SH) dynamics is also developed to sample the equilibrium distribution of ring polymer configurational space. It shares some challenges with the dynamical part, such as the difficulties in many energy level systems and realistic scientific problems, and there are some new possible research directions as well, including detailed comparison with other prevailing methods and exploring the connections between those methods.
非绝热现象一直是量子化学和相关应用数学领域的核心研究问题,但是由于多能级、多尺度以及高纬度的多方面挑战,这类问题一直没有系统严格的分析计算方法。在这个项目,我们计划主要探究这类问题的两个方面:混合量子-经典动力学问题和多能级量子系统的热力学均值问题。在热力学问题方面,我和我的合作者,杜克大学的鲁剑锋教授,已经对于准经典的多能级薛定谔方程设计出了一套基于冻结高斯逼近的能面跃迁方法。虽然我们已经得到了量子化学界的一定认可,这类方法还有很多没有被足够理解和探索的地方,包括更多数量能级系统中的数学方法上难点和实际科学问题数值实现上的挑战,还有基于算法中自由度的优化设计。在热力学均值方面,我和鲁剑锋对于多能级量子系统提出了一种ring polymer表示,对基于这种表示设计了含有能面跃迁的路径积分分子动力学方法,我们将继续研究这些方法在高位多能级中的挑战,并与其他高效算法做系统的分析比较。

结项摘要

非绝热现象一直是量子化学和相关应用数学领域的核心研究问题,但是由于多能级、多尺度等的多方面挑战,这类问题一直没有系统严格的分析计算方法。在热力学均值方面,我和鲁剑锋对于多能级量子系统提出了一种ring polymer的表示,并对基于这种表示设计了含有能面跃迁的路径积分分子动力学方法。本项目中我们继续开展这方面的研究。一方面,我们研究了ring polymer表示的连续性极限,并因此设计了预处理方法,避免了采样步长过小的数值约束;一方面,我们基于贝叶斯的框架,探索了路径积分分子动力学的反问题的适定性和快速求解方法;另外,我们还针对由于多能级产生的多等级采样问题,提出了多等级蒙特卡罗方法,有效降低了计算复杂度。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Gaussian wave packet transform based numerical scheme for the semi-classical Schrodinger equation with random inputs
基于高斯波包变换的随机输入半经典薛定谔方程的数值格式
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2019.109015
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Computational Physics
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Jin Shi;Liu Liu;Russo Giovanni;Zhou Zhennan
  • 通讯作者:
    Zhou Zhennan
Efficient sampling of thermal averages of interacting quantum particle systems with random batches
对随机批次相互作用的量子粒子系统的热平均值进行有效采样
  • DOI:
    10.1063/5.0047437
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Chemical Physics
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Ye Xuda;Zhou Zhennan
  • 通讯作者:
    Zhou Zhennan
The Bayesian inversion problem for thermal average sampling of quantum systems
量子系统热平均采样的贝叶斯反演问题
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2020.109448
  • 发表时间:
    2019-10
  • 期刊:
    Journal of Computational Physics
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Chen Ziheng;Zhou Zhennan
  • 通讯作者:
    Zhou Zhennan
Continuum limit and preconditioned Langevin sampling of the path integral molecular dynamics
路径积分分子动力学的连续极限和预处理朗之万采样
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2020.109788
  • 发表时间:
    2018-11
  • 期刊:
    Journal of Computational Physics
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Jianfeng Lu;Yulong Lu;Zhennan Zhou
  • 通讯作者:
    Zhennan Zhou
Multi-Level Monte Carlo Path Integral Molecular Dynamics for Thermal Average Calculation in the Nonadiabatic Regime
非绝热区域热平均计算的多级蒙特卡罗路径积分分子动力学
  • DOI:
    10.4208/nmtma.oa-2020-0137
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Numerical Mathematics Theory, Methods and Applications
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Lei Xiaoyu;Zhou Zhennan
  • 通讯作者:
    Zhou Zhennan

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高维量子系统的新型计算方法
  • 批准号:
    12171013
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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