Ква́нтовая хи́мия — направление теоретической химии, рассматривающее строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики. Разделами квантовой химии являются: квантовая теория строения молекул, квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий, квантовая теория химических реакций и реакционной способности и др. Она занимается рассмотрением химических и физических свойств веществ на атомарном уровне. Вследствие того, что сложность изучаемых объектов во многих случаях не позволяет находить явные решения уравнений, описывающих процессы в химических системах, применяют приближенные методы расчета. С квантовой химией неразрывно связана вычислительная химия — дисциплина, использующая математические методы квантовой химии, адаптированные для создания специальных компьютерных программ, используемых для расчета молекулярных свойств, амплитуды вероятности нахождения электронов в атомах, симуляции взаимодействия молекул.
Добровольные вычисления — распределённые вычисления с использованием предоставленных добровольно вычислительных ресурсов. Современные вычислительные системы для добровольных вычислений строятся на базе грид-систем.
BOINC — открытая программная платформа университета Беркли для грид-вычислений — некоммерческое межплатформенное ПО для организации распределённых вычислений. Используется для организации добровольных вычислений.
Методы Мо́нте-Ка́рло (ММК) — группа численных методов для изучения случайных процессов. Суть метода заключается в следующем: процесс описывается математической моделью с использованием генератора случайных величин, модель многократно обсчитывается, на основе полученных данных вычисляются вероятностные характеристики рассматриваемого процесса. Например, чтобы узнать методом Монте-Карло, какое в среднем будет расстояние между двумя случайными точками в круге, нужно взять координаты большого числа случайных пар точек в границах заданной окружности, для каждой пары вычислить расстояние, а потом для них посчитать среднее арифметическое.
LHC@Home — проект добровольных вычислений на платформе BOINC, организованный сотрудниками CERN для проведения расчётов, необходимых при постройке и эксплуатации Большого адронного коллайдера. В ходе этих расчётов, проводимых добровольцами на своих домашних компьютерах, осуществляется моделирование поведения пучка заряженных частиц при различных параметрах воздействия на них управляющих магнитов ускорителя с использованием программы SixTrack. По ходу расчетов рассматривалась возможность добавления в проект расчётных модулей Garfield и ATLAS для моделирования столкновений пучков протонов в детекторах, однако они так и не были реализованы. Также рассматривалась возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры. Для этой задачи более удобной является грид-система LCG.
Spinhenge@home — проект добровольных вычислений на платформе BOINC. Целью проекта является целенаправленный синтез специально спроектированных магнитных молекул на основании квантово-механического моделирования с использованием метода Монте-Карло, результаты которого можно непосредственно сравнивать с экспериментом. Кроме того, в ходе исследований планируется расширить понимание молекулярного магнетизма, а также найти возможность его использования в прикладных областях. Проект поддерживается Университетом прикладных наук в Билефельде, департаментом электротехники и информатики, в сотрудничестве с Министерством энергетики США и Лабораторией Эймса Университета Айовы.
Математическая химия — раздел теоретической химии, область исследований, посвящённая новым применениям математики к химическим задачам. Основная область интересов — это математическое моделирование гипотетически возможных физико-химических и химических явлений и процессов, а также их зависимость от свойств атомов и структуры молекул. Математическая химия допускает построение моделей без привлечения квантовой механики. Критерием истины в математической химии являются математическое доказательство, вычислительный эксперимент и сравнение результатов с экспериментальными данными. Важнейшую роль в математической химии играет математическое моделирование с использованием компьютеров. В связи с этим математическую химию, в узком смысле, иногда называют компьютерной химией, которую не следует путать с вычислительной химией.
В 2005 году были различные научные и технологические события, некоторые из которых представлены ниже. 2005 год был объявлен Организацией Объединённых Наций Международным годом физики.
Поиск количественных соотношений структура-свойство — процедура построения моделей, позволяющих по структурам химических соединений предсказывать их разнообразные свойства. За моделями, позволяющими прогнозировать количественные характеристики биологической активности, исторически закрепилось англоязычное название Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR). Аббревиатура QSAR часто трактуется расширенно для обозначения любых моделей структура-свойство. За моделями, позволяющими прогнозировать физические и физикохимические свойства органических соединений, закрепилось англоязычное название Quantitative Structure-Property Relationship (QSPR). При качественном описании соотношений между структурами химических соединений и их биологической активностью употребляют англоязычный термин Structure-Activity Relationship (SAR).
Cosmology@Home — проект добровольных вычислений, построенный на платформе BOINC. Запущен кафедрой Астрономии и Физики Иллинойсского университета в Урбана-Шампань. По состоянию на 5 сентября 2013 года в нём участвуют 55 957 пользователей из 190 стран, обеспечивая вычислительную мощность в 13.04 терафлопс. Проект характеризуется достаточно высокими требованиями к объёму оперативной памяти среди других проектов на платформе BOINC.
Сэр Джон Энтони Попл — английский химик-теоретик, один из основателей современной вычислительной химии. Создатель одной из наиболее широко используемых квантово-химических программ Gaussian. Лауреат Нобелевской премии по химии (1998) и других престижных наград.
AQUA@home — проект добровольных вычислений канадской компании D-Wave Systems Inc., работающего на платформе BOINC. Цель проекта — спрогнозировать эффективность сверхпроводимого адиабатического квантового компьютера на целый ряд проблем, начиная от материаловедения до машинного обучения. Разрабатываются и анализируются алгоритмы квантовых вычислений, используя квантовый метод Монте-Карло.
Квантовые методы Монте-Карло — большая семья методов, для исследования сложных квантовых систем. Одна из главных задач — обеспечить надёжное решение квантовой задачи многих тел. Различные варианты этого метода имеют общую особенность: они используют метод Монте-Карло для вычисления многомерных интегралов, возникающих в различных формулировках задачи многих тел. Квантовые методы Монте-Карло позволяют описывать сложные эффекты многих частиц, зашифрованные в волновой функции, выходя за рамки теории среднего поля и предлагая в некоторых случаях точные решения задачи многих тел. В частности, существует численно точный и полиномиальный масштабируемый алгоритм точного изучения статических свойств системы бозонов без геометрической фрустрации. Для фермионов не известно таких алгоритмов, но существуют отдельно алгоритмы, которые дают очень хорошие приближения их статических свойств, и отдельно квантовые алгоритмы Монте-Карло, которые численно точны, но экспоненциально масштабируемы.
Шаблон:Карточка программы для распределённых вычислений
yoyo@home — проект добровольных вычислений, адаптированный для вычислений на платформе BOINC (Wrapper). Запущен при поддержке сообщества Rechenkraft.net e.V. В состав проекта в настоящее время входит 5 подпроектов:
- ECM — проект по факторизации целых чисел различного вида при помощи эллиптических кривых.
- Perfect Cuboid — проект по поиску совершенного кубоида. Также проект ищет два вида почти совершенных кубоидов (кубоиды, в которых целочисленны 6 размерностей из 7): Edge (кубоид только с одной нецелой гранью) и Face (кубоид только с одной нецелой лицевой диагональю), а также некоторые виды кубоидов в комплексных числах: идеальный комплексный кубоид, «Сумеречные» кубоиды (кубоиды, в которых комплексными числами являются только грани), «Полуночные» кубоиды (кубоиды, в которых комплексными числами являются грани и лицевые диагонали). Поиск ведётся от целочисленной пространственной диагонали с длиной от 1013 до 263 (теоретический предел приложения). Первая цель подпроекта — 250.
- evolution@home — проект в области эволюционных исследований (ДНК человека).
- OGR-28 (от англ. Optimal Golomb Ruler) — проект по поиску оптимальных линеек Голомба, используя клиент проекта distributed.net.
eOn — проект добровольных вычислений, построенный на платформе BOINC. Целью проекта является моделирование эволюции молекулярных процессов с использованием метода Монте-Карло, вызывающее интерес в теоретической химии, физике конденсированного состояния и материаловедении. По сравнению с колебаниями атомов кристаллической решётки рассматриваемые процессы являются достаточно редкими, поэтому прямое моделирование, отслеживающее каждое движение атома, потребовало бы несколько тысяч лет вычислительного времени. На платформе BOINC вычисления в рамках проекта стартовали в сентябре 2010 года. Проект поддерживается исследовательской группой Хенкельмана из Техасского университета в Остине.
Gerasim@Home — российский проект добровольных распределенных вычислений на платформе BOINC. Проект стартовал в тестовом режиме в феврале 2008 года. Отличительной особенностью серверной части проекта, разработанной С. Ю. Валяевым, является использование операционной системы Windows Server 2008 и связки Microsoft SQL Server с ASP.NET, в то время как стандартный набор приложений от разработчиков BOINC требует использования операционной системы Linux или Unix. По состоянию на 23 июля 2015 года в проекте приняли участие 1999 пользователей из 62 стран, обеспечивая производительность 1—5 терафлопс. Участвовать в проекте может любой желающий, обладающий компьютером с выходом в Интернет, установив на него программу BOINC Manager.
POEM@Home — проект добровольных вычислений, построенный на платформе BOINC. Запущен Технологическим институтом Карлсруэ. Основной целью проекта является моделирование сворачивания белков, базирующееся на догме Анфинсена, с использованием пакета SIMONA с открытым исходным кодом. По состоянию на 15 декабря 2013 года в нём приняли участие 43 516 пользователей из 168 стран, обеспечивая интегральную производительность в 648 терафлопс. В проекте имеются расчетные модули с поддержкой технологии OpenCL, позволяющие запуск соответствующих задач фолдинга с использованием GPU.
Анна Игоревна Крылова — профессор химии Университета Южной Калифорнии (USC), работает в области теоретической и вычислительной квантовой химии. Она является изобретателем метода спин-флип. Крылова является президентом Q-Chem, Inc. и избранным членом Международной академии квантовых молекулярных наук и Европейской академии.
Метод квантового скачка, также известный как волновая функция Монте-Карло (MCWF), – метод вычислительной физики, используемый для моделирования открытых квантовых систем и квантовой диссипации. Метод квантового скачка был разработан Далибардом, Кастином и Мёлмером одновременно с аналогичным методом, известным как теория квантовой траектории, разработанным Кармайклом. Другие одновременные работы по подходам Монте-Карло к открытым квантовым системам, основанным на волновых функциях, включают работы Дума, Золлера и Ритча, а также Хегерфельдта и Вильзера.
Медиафайлы на Викискладе