大規模系の核量子効果解析を高速化するMixPIソフトウェア(MixPI: A Path-Integral Software for Large Systems)

2026-06-30 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国のPacific Northwest National Laboratory(PNNL)の研究チームは、大規模な凝縮系における原子核の量子効果を効率的に計算できるオープンソースソフトウェア「MixPI」を開発した。MixPIは、経路積分分子動力学(PIMD)の新しい「Mixed Time Slicing(混合時間スライシング)」法を実装し、量子効果が重要な一部の原子や粒子のみを量子力学的に扱い、それ以外を古典的に計算することで、従来法に比べて最大約10倍の高速化を実現する。これにより、電子移動やプロトン移動を伴う化学反応、水や生体分子、触媒材料など、従来は計算負荷が大きすぎた大規模系の量子シミュレーションが現実的となる。さらに、量子効果を必要な部分に限定することで計算精度を維持しつつ計算資源を大幅に削減でき、材料科学、化学、生物学分野の研究を加速すると期待される。MixPIはオープンソース分子シミュレーションソフトウェアCP2K上で利用可能であり、高精度な量子シミュレーションの普及に貢献する成果である。

<関連情報>

MixPI:量子化分子動力学シミュレーションのための混合時間スライス経路積分ソフトウェア
MixPI: Mixed-time slicing path integral software for quantized molecular dynamics simulations

Britta A. Johnson;Siyu Bu;Christopher J. Mundy;Nandini Ananth
The Journal of Chemical Physics  Published:June 05 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0327460

大規模系の核量子効果解析を高速化するMixPIソフトウェア(MixPI: A Path-Integral Software for Large Systems)

We introduce the MixPI software to implement path integral molecular dynamics (PIMD) simulations for the study of condensed phase systems where nuclear quantum effects (NQEs) are important. In contrast to existing PIMD simulation software, MixPI enables the implementation of mixed quantum–classical path integral simulations where only a subset of system degrees of freedom (dofs) are treated quantum mechanically in an extended phase space while the remaining dofs are described classically. We expect this software to be particularly useful for simulations of electron and proton transfer in condensed phase systems, as well as for the study of biological and material systems where only a handful of dofs contribute significantly to the observed NQEs. We demonstrate the use of MixPI in two different systems. The first is a simple water model where we implement a set of mixed quantum–classical simulations to compute average energy and radial distribution functions. We use these simulations to benchmark the effectiveness of MixPI and to demonstrate how it enables systematic investigation into the origin of observed NQEs. We then compute radial distribution functions for a system where MixPI is essential: a solvated metal (M2+) cation described using an explicit quantized electron localized on an M3+ ion in water.

1701物理及び化学
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