Development of efficient multiscale methods and extrapolation techniques for multiphysics molecular chemistry
Abstract
In this work, we are interested in developing new methods for molecular chemistry, in particular for classical or quantum molecular dynamics. These methods are developed either in order to increase the efficiency of the computations or in order to improve the description of the chemical systems considered. We are interested in describing in a pedagogical way methods of algorithmic complexity in O(N log N) using Ewald's method of summation for the calculation of the energy of classical chemical systems. We also present a modification of the fast multipole method (of algorithmic complexity in O(N)), allowing its use with polarizable force fields describing the density up to quadrupoles. We will also introduce the multiscale method QM/AMOEBA, which allows to describe efficiently and precisely chemical systems containing tens of thousands of atoms. Finally, we will look at how to improve the description and the efficiency of quantum computations by developing extrapolation methods.
Keywords: High-performance computing (HPC), Solvation, Physical and theoretical chemistry, Molecular dynamics (MD), Quantum theory
Résumé
Dans ce travail, nous nous intéressons à développer de nouvelles méthodes pour la chimie moléculaire, en particulier pour la dynamique moléculaire classique ou quantique. Ces méthodes sont développées soit dans le but d’augmenter l’efficacité des calculs ou dans le but d’améliorer la description des systèmes chimiques considérés. Nous nous intéresserons à décrire de façon pédagogique des méthodes de complexité algorithmique en O(N log N) utilisant la sommation d’Ewald pour le calcul de l’énergie d’un système moléculaire chimique classique. Dans ce même contexte, nous présenterons une modification de la méthode multipolaire rapide (de complexité algorithmique en O(N)), permettant son utilisation avec des champs de force polarisables décrivant la densité jusqu’au quadrupôles. Nous nous introduirons aussi la méthode multiéchelle QM/AMOEBA, qui permet de décrire de manière efficace et précise des systèmes chimiques contenant plusieurs dizaines de milliers d’atomes. Enfin, nous regarderons comment améliorer la description et l’efficacité de calculs quantiques en développant des méthodes d’extrapolation.
Mots-clés : Calcul intensif (informatique), Solvatation, Chimie physique et théorique, Dynamique moléculaire, Théorie quantique
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