42、量子模拟技术：从理论到实践

量子模拟技术：从理论到实践

1. 量子模拟中的时间步长与方法选择

在量子模拟中，不同方法在时间步长和能量守恒方面表现各异。以硅（Si）的研究为例，某些方法采用的时间步长至少比CP方法大五倍，而能量守恒质量仅有微小损失。然而对于水这种重要体系，BO动力学虽可采用较长时间步长，但达到最小化收敛所需的迭代次数较多，相比之下CP动力学在能量守恒相当的情况下，效率要高2 - 4倍。对于水体系，选择CP还是BO方法，取决于在给定计算时间下对能量守恒的控制要求。具有经典模拟背景的人可能更倾向于CP动力学提供的较高能量守恒水平。

值得注意的是，在控制能量守恒时选择合适的时间步长非常重要，特别是在精确采样特定系综或计算时间相关性质时。BO和CP动力学还常被用作模拟退火技术，以达到最小能量状态，在固体研究中BO方法具有明显优势。在比较不同技术时，多时间步方法的实现也可能影响方法的选择。

目前有许多可进行BO、CP或Ehrenfest动力学的软件包，例如：
| 代码 | 功能 | 来源 |
| — | — | — |
| abinit | 具有赝势、平面波和小波的DFT电子结构代码；通过BO动力学进行弛豫，支持TDDFT | www.abinit.org/ |
| castep | 具有赝势、平面波的DFT电子结构代码，直接最小化KS能量泛函；具备广泛的光谱特征 | www.castep.org/ |
| vasp | 具有BO动力学的DFT电子结构代码；平面波、赝势、混合泛函平面波基组；适合非专业人员的稳健代码 | www.vasp.at/ |
| siesta | 具有弛豫和BO动力学的DFT电子结构代码；线性缩放；基于数值原子轨道 |