Ich bin ein Softwareentwickler, der daran interessiert ist, Quantenmechanik zu lernen, um Chemie zu simulieren. Ich weiß, dass es ein sehr schwieriges Thema ist, also halte ich es für ein langfristiges „irgendwann/vielleicht“-Ziel, und ich bin mir nicht sicher, ob es überhaupt möglich ist.
Ich habe mir einige Videovorträge in QM-Einführungskursen angehört, wie die YouTube-Videos von Susskind und Brant Carlson , und der Inhalt scheint bisher weit entfernt von der Berechnung "chemischer" Dinge wie Elektronenorbitalformen oder Bindungsenergien zu sein.
Ist es möglich, die Zeitentwicklung von etwas "Einfachem" wie den kollidierenden und reagierenden Molekülen zu simulieren in: ? Ich meine, von Grund auf simulieren - reine Quantenmechanik ohne Schätzungen wie "so tun, als wäre dieses Atom eine Masse auf einer Feder" usw.
Wenn es möglich ist, was ist ein grober Überblick über die College-Kurse, die erforderlich sind, um von Punkt A nach B zu gelangen - von der Einführung in die Quantenmechanik bis zum Verständnis, das zum Schreiben von Code für diese Simulation erforderlich ist? (Vielleicht geht es weniger um die Physik als vielmehr um knifflige Rechentechniken zum Schätzen von Lösungen für Gleichungen?)
Ja, es ist möglich. Wenn Sie mit reiner Quantenmechanik arbeiten, müssen Sie die Vielkörper-Schrödinger-Gleichung lösen, die keine exakte Lösung hat, sodass eine gewisse Annäherung numerisch erfolgen muss. Verschiedene Ansätze zur Lösung dieser Gleichungen führten zu verschiedenen numerischen Methoden, und einige Methoden sind effizienter, um bestimmte Probleme zu lösen, wie die von Ihnen erwähnte.
Vielleicht möchten Sie nach den Begriffen suchen: Ab initio, First-Principles-Methoden, Computerchemie, Dichtefunktionaltheorie. Ich habe sogar einige spezielle Kurse auf YouTube gesehen.
Einige beliebte Software, die in diesem Bereich verwendet werden, sind: Gaussian, VASP, GAMESS, DMol, Quantum Espresso.
Ja, das ist möglich – ich habe es tatsächlich im Grundstudium studiert. Ich würde sagen, die Voraussetzungen sind wahrscheinlich ein paar Semester Quantenmechanik - genug, um Konzepte wie Born-Oppenheimer-Näherungen, Störungstheorie und Drehimpulstheorie zu lernen. Ein Kurs speziell in Atom- und Molekülphysik würde auch helfen.
Wie Sie sagen und wie ein Kommentar hervorhebt, können die Rechenanforderungen für eine exakte Lösung der Schrödinger-Gleichung selbst für etwas vergleichsweise Einfaches immens sein. Es gibt viel Rechenaufwand, um dieses Problem zu vereinfachen, und für etwas so Großes wie das, was Sie vorschlagen, bezweifle ich, dass Sie eine Behandlung "exakt von den ersten Prinzipien" sehen würden; Annäherungen wahrscheinlich geben es dazu. (Meine numerische Arbeit im Grundstudium würde Tage dauern , um Reaktionen wie F + H2 auszuführen.)
Das Schlüsselwort ist „reaktive Streuung“ – der Prozess, bei dem zwei Moleküle kollidieren und dann eine andere Konfiguration entsteht. Dies scheint ein anständiges Übersichtspapier zu sein, wenn Sie darauf zugreifen können.
Die anderen Antworten betrafen die bereits vorhandene Software und berührten, wie lange "reine" ab inito-Berechnungen (von den ersten Prinzipien) dauern können. Hinweis: für interessante Systeme werden Supercomputer verwendet (meine Gruppe als Zugang zu einem, würde empfehlen)
Die wichtigsten Kurse, die Sie belegen sollten, wenn Sie Ihren eigenen Code schreiben möchten (ich gehe davon aus, dass Sie wissen, wie man codiert):
Lineare Algebra - 99 % aller Quantenchemie ist Matrizenmathematik
Physikalische Chemie – stellen Sie sicher, dass Sie die zugrunde liegenden Konzepte verstehen
Quantenphysik/Chemie – beide werden definitiv in Rufweite kommen, um codieren zu können – aber der Fokus wird auf der genauen Antwort liegen, die wir für Wasserstoff bekommen, ohne die modernen Methoden zu codieren
Wenn Sie einen Kurs wünschen, der Ihnen tatsächlich beibringt, wie man die modernen Methoden codiert, müssen Sie wahrscheinlich zu einer Schule gehen, die ein fokussiertes Zentrum für Quantenchemie oder eine Physikabteilung ist, die sich in die Chemie verzweigt.
Beispielklassentitel: Advanced Quantum Chemistry, 'Beyond Hartree-Fock' oder Couple Cluster Methods
Wenn Sie daran interessiert sind, mit einem Quantenchemiepaket zu spielen, können Sie es von github herunterladen: Psi4 - geschrieben in C++ und Python mit einer Python-Schnittstelle für die Eingabe
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