QMC@home

AMBITO: Fisica, Chimica

Il progetto QMC@home della facoltà Chimica Organica Teorica dell'Università di Münster in Germania è una applicazione alla chimica della Meccanica quantistica.

Essendo quest'ultima una teoria molto complessa, i calcoli necessari per una sua applicazione pratica che non sia limitata a casi molto semplici, sono di un ordine di grandezza improponibile; d'altro canto le applicazioni pratiche spesso non necessitano della maggiore precisione possibile nella previsione di un fenomeno ma è sufficiente ricercare configurazioni promettenti che possano essere verificate attraverso sperimentazione diretta.

La chimica quantistica ha come obiettivo la descrizione del comportamento elettronico degli atomi e delle molecole in relazione alla loro reattività e fonda i suoi presupposti sulla meccanica quantistica, condividendone quindi l'improponibilità in termini di calcolo per casi non banali.

Quantum Monte Carlo (QMC) è un nuovo metodo molto promettente in Chimica Quantistica.

Uno dei maggiori vantaggi di QMC è l’abilità di eseguire in maniera massiccia calcoli paralleli, che possono essere utilizzati per allargare l’orizzonte dei sistemi calcolabili distribuendo il lavoro a parecchie centinaia o persino migliaia di processori. Il Metodo Monte Carlo adottato da QMC@home tenta di ridurre la mole di calcoli necessaria e di permettere la loro parallelizzazione: invece di tentare di risolvere le complesse equazioni che sono alla base del fenomeno da simulare tenta di ottenere una stima del risultato assegnando alle variabili in gioco un gran numero di combinazioni di valori casuali, ognuno correlato con una specifica probabilità di occorrenza; si riesce ad avere quindi una stima “per punti” che, se ben distribuiti, offrono un quadro generale del fenomeno molto vicino alla realtà.

Quantum Monte Carlo at Home (QMC@home) è un progetto realizzato per favorire lo sviluppo del metodo QMC per un uso generale in Chimica Quantistica. Le possibili applicazioni in campo medico, scientifico e tecnologico, sono infinite.

Noi viviamo in un mondo pieno di molecole: le molecole costituiscono i nostri corpi e le reazioni tra molecole sono fenomeni essenziali dietro tutti i processi della vita. Noi respiriamo, mangiamo e deterioriamo molecole ogni giorno.
Con questo in mente si può immaginare la grande importanza della conoscenza inerente la struttura molecolare e anche l’utilità dell’abilità di fare predizioni in modo accurato circa la reattività molecolare.

La Teoria Quantistica è stata sviluppata nella prima metà del ventesimo secolo da Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Pauli, Dirac ed altri. Ha sostituito le meccaniche newtoniane e l'elettromagnetismo classico, siccome può spiegare le osservazioni ai livelli atomici e subatomici che non possono essere spiegati da queste teorie classiche. (Maggiori informazioni in inglese, su Quantum Theory).

La Teoria Quantistica in linea di principio permette di predire la struttura e la reattività di tutte le molecole, ma le equazioni si trasformano in un complesso insolubile con l’aumento delle dimensioni del sistema. Soluzioni analitiche esatte sono possibili soltanto per i sistemi più piccoli mentre per la maggior parte di tutte le molecole di interesse in chimica e scienze biologiche, queste soluzioni non sono a noi note.
Sulla base del fondamento teorico della Teoria Quantistica, la Chimica Quantistica prova a fornire previsioni sul tutto ciò che è importante in chimica. Fondamentale per la Chimica Quantistica è la cosiddetta “equazione di Schrödinger”. (Maggiori informazioni in inglese su Quantum Chemistry).

In generale le equazioni della Teoria Quantistica sono insolubili per la maggior parte dei sistemi di qualche interesse in chimica quindi i ricercatori si sono indirizzati verso i metodi alternativi: si prova a risolvere le equazioni per mezzo di approssimazioni mirate ("intelligenti").

Un nuovo metodo di Chimica Quantistica molto promettente è Quantum Monte Carlo (QMC) perchè è l'unico metodo adatto a calcoli paralleli in maniera massiccia.

La versione più comune di Quantum Monte Carlo (QMC) è Fixed Node Diffusion Monte Carlo (FNDMC), un metodo stocastico (probabilistico) per risolvere numericamente in modo diretto l'equazione di Schrödinger. In FNDMC l'equazione di Schrödinger è tracciata ad un processo di diffusione che è risolto esattamente (all'interno dei volumi definiti dai nodi di una funzione di prova) attraverso una simulazione Monte Carlo.

Dato che le simulazioni Monte Carlo fanno un vasto uso di numeri casuali (da qui il loro nome), ci si potrebbe quasi immaginare di giocare a dadi con le molecole. Il programma che viene usato per i calcoli FNDMC è Amolqc, un programma di QMC sviluppato da Arne Lüchow ed altri. (Maggiori informazioni in inglese su Schrödinger Equation; Monte Carlo Methods; Amolqc, Lüchow Group).

Per ora ci sono poche informazioni circa le prestazioni di QMC per i problemi reali quindi necessita di ampie prove e ulteriore sviluppo. Per acquisire il necessario potere computazionale è nato il progetto QMC@home che è inoltre dedicato ad un ulteriore sviluppo di QMC per un uso generale nella Chimica Quantistica, per predire la struttura e la reattività delle molecole importanti nella chimica e nelle scienze biologiche.

Le applicazioni che vengono eseguite dai nostri PC sono attualmente di due tipi:

Stacking effects: con questi calcoli si cerca di capire i differenti effetti che si creano quando si impilano gli uni sugli altri sistemi saturi ed insaturi. I nomi delle WU sono del tipo:  *_nm/nd/dm/dd/ad/adb/agd_hexadeca/anthracene.*

 

Isomerisation reactions: con la ricerca sulle reazioni di isomerizzazione si spera di scoprire di più circa il cosiddetto “fixed-node error”. Questo errore è la limitazione principale del metodo di QMC.
I nomi delle WU sono del tipo: one/two/three_e(duct)/p(roduct)NUMBER_isomerexp dove “Educt” è un termine inglese utilizzato in letteratura tedesca (E’ intraducibile, grossomodo sta' per reagente) e ogni “Number” corrisponde a una delle seguenti molecole:

Stato del progetto: Progetto CHIUSO

Iscrizione libera.

Requisiti minimi: nessuno

Gli sviluppatori non segnalano requisiti minimi da rispettare.

Screensaver: disponibile

Requisiti:
* DirectX 9.0c o successivo per Windows
* GL, GLU, GLUT e TRUETYPE per Linux
Lo screensaver mostra la molecola in corso di elaborazione e la sua energia istantanea calcolata dal programma. E’ possibile ruotare a piacere la molecola e inoltre usare lo zoom sia per ingrandire sia per allontanare la visuale.

(1) Un’immagine della molecola, interattiva e auto-rotante
(2) Il nome della molecola e il perché dell’interesse circa questo composto
(3) Una leggenda degli atomi (tipi atomici) che compongono la molecola
(4) News, consigli, informazioni e altro..
(5) Per ogni step della simulazione, l’energia calcolata è mostrata
(6) Dati relativi alla WU e all’account
Ulteriori informazioni sono disponibili premendo “H”

Assegnazione crediti: fissati per singola WU

Quorum = 1 (se è >1 le WU dovranno essere convalidate confrontando i risultati con quelli di altri utenti).

Cliccare sulle icone relative alle "Applicazioni" e allo "Stato del server" .

Sistemi operativi supportati: N/D

Dati specifici sull'elaborazione:  N/D

 

Problemi comuni: vedi elenco

* Error #127 ('libstdc++ not found'): con le WU preRC1, versione Linux (Maggiori informazioni in inglese QUA)
* Alcuni processori AMD hanno mostrato problemi di calcolo: si cerca ancora una soluzione.

Supporto al progetto: supportato

Per unirsi al team BOINC.Italy consultare la scheda "Link" qui sotto cliccando sull'icona relativa al "JOIN" .

Referente/i: posizione vacante

Se sei interessato al progetto e vuoi dare una mano diventando referente, contatta i moderatori in privato o attraverso le pagine del forum.