新研究實現(xiàn)億原子級拉曼光譜量子力學(xué)模擬
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授商紅慧、楊金龍團隊聯(lián)合中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所高級工程師劉穎以及華東師范大學(xué)教授何曉等組成的跨學(xué)科研究團隊，在量子力學(xué)模擬領(lǐng)域取得了突破性進展——實現(xiàn)了億原子級拉曼光譜的量子力學(xué)模擬。這一成就不僅標志著量子力學(xué)模擬技術(shù)的一次飛躍，也預(yù)示著人類在理解復(fù)雜生物系統(tǒng)方面邁出了重要一步。該研究成果已成功入圍2024年“戈登貝爾獎”。
拉曼光譜作為一種重要的光譜分析技術(shù)，在物質(zhì)成分分析、分子結(jié)構(gòu)鑒定等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，此前的拉曼光譜量子模擬僅能處理數(shù)千原子的小體系，研究團隊通過創(chuàng)新性的算法設(shè)計和技術(shù)優(yōu)化，成功地將拉曼光譜技術(shù)擴展到前所未有的規(guī)模，實現(xiàn)了對億原子級別體系的精確模擬。
此次研究中，研究團隊創(chuàng)新算法設(shè)計與工程技術(shù)，開發(fā)了一款名為QF-RAMAN的程序，首次實現(xiàn)了包含1億多原子的新冠病毒刺突蛋白在水溶液中的拉曼光譜量子模擬，與以往工作相比實現(xiàn)了4至5個數(shù)量級的提升。同時，該程序采用OpenCL通用異構(gòu)并行計算框架，能在不同硬件架構(gòu)的超級計算機上，借助OpenCL編譯工具鏈實現(xiàn)跨平臺運行。在此基礎(chǔ)上，團隊提出了適用于億級原子體系的矩陣方程求解拉曼光譜的新算法，有效解決了大規(guī)模量子力學(xué)拉曼模擬中的關(guān)鍵技術(shù)難題。
這項研究的成功不僅標志著我國在高性能計算領(lǐng)域邁出了重要一步，也為理解復(fù)雜生物系統(tǒng)的高階量子力學(xué)物理性質(zhì)提供了強有力的技術(shù)支持。未來，隨著更多類似研究的推進，量子力學(xué)模擬將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)其巨大潛力和應(yīng)用前景。
素材來源：中國科學(xué)報
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