Qケム
Qケム
開発者Q-Chem Inc.、Q-Chem開発者コミュニティ
安定版リリース
6.2.2 / 2024年11月21日 ( 2024-11-21 )
言語Fortran、C、C++
オペレーティングシステムLinux、FreeBSD、Unixなどのオペレーティングシステム、Microsoft Windows、Mac OS X
タイプ第一原理量子化学、密度汎関数理論、QM/MM、AIMD、計算化学
ライセンス商用、学術
ウェブ www.q-chem.com

Q-Chemは汎用電子構造パッケージ[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]であり、革新的なアルゴリズムを使用して実装された様々な確立された手法と新しい手法を備えており、ラップトップや通常の研究室ワークステーションから中規模クラスター、HPCC、密度汎関数および波動関数ベースのアプローチを使用したクラウドコンピューティングまで、さまざまなコンピュータアーキテクチャ上で大規模システムの高速計算を可能にします。統合されたグラフィカルインターフェイスと入力ジェネレータ、電子励起状態や開殻システムを含む関数と相関手法の幅広い選択肢、溶媒和モデル、波動関数解析ツールを提供します。計算化学[ 5 ]コミュニティへのサービスに加えて、Q-Chemは多用途のコード開発プラットフォームも提供します。

歴史

Q-Chemソフトウェアは、米国カリフォルニア州プレザントンに所在するQ-Chem, Inc. [ 6 ]によって保守および配布されています。1993年に設立されたQ-Chemは、 Gaussian社内での意見の相違が原因で、 John Pople氏と彼の多くの学生およびポスドクが退社（その後「追放」）したことがきっかけでした（ Gaussianライセンス論争[ 7 ]を参照）。[ 6 ] [ 8 ]

Q-Chemコードの最初の数行は、当時Popleのポスドク研究員だったピーター・ギルによって、オーストラリアでの冬休み（1992年12月）中に書かれました。ギルはすぐにPopleの大学院生ベニー・ジョンソンと同じくPopleのポスドク研究員カルロス・ゴンザレスに加わりましたが、ゴンザレスはその後まもなく同社を去りました。1993年半ば、当時はバークレーのテニュアトラックに所属していたものの、 Popleの元学生だったマーティン・ヘッド＝ゴードンが、成長を続ける学術開発者チームに加わりました。[ 6 ] [ 8 ]

Q-Chem 1.0 のリリースを宣伝するポストカード。

最初の商用リリースの準備として、同社はユージン・フライシュマンをマーケティングディレクターに迎え、1997年1月にwww.q-chem.comというURLを取得しました。最初の商用製品であるQ-Chem 1.0は、1997年3月にリリースされました。広告のポストカードには、「かつては不可能だった問題が、今では日常的に解決できる」という誇らしげな見出しが掲げられ、リリースを祝いました。しかし、バージョン1.0には多くの欠点があり、ある人物は「不可能」と「日常的」という言葉はおそらく入れ替えるべきだと指摘しました。[ 8 ]しかし、精力的なコード開発は続けられ、翌年にはQ-Chem 1.1が量子化学の基本機能のほとんどを提供するだけでなく、他のパッケージでは提供されていない機能（例えば、連続高速多重極法、J行列エンジン、積分用のCOLD PRISM、G96密度汎関数など）も増え続けました。[ 6 ] [ 8 ]

ジョンソンの退任による挫折の後、同社はより分散化を進め、世界中の大学の研究グループとの繋がりをますます拡大し、関係を育んでいった。1998年、フリッツ・シェーファーは取締役会への参加要請を受け入れ、1999年初頭、ガウス社との競業避止契約の期限が切れるとすぐに、ジョン・ポープルが取締役兼コード開発者として入社した。[ 6 ] [ 8 ]

2000年、Q-ChemはWavefunction Inc.とのコラボレーションを確立し、その結果、Q-ChemはSpartanパッケージの以降のすべてのバージョンにab initioエンジンとして組み込まれるようになりました。Q-Chemの取締役会は、2003年3月にAnna KrylovとJing Kongが加わって拡大しました。2012年に、John Herbertが取締役会に加わり、Fritz Schaeferが名誉会員になりました。翌年、Shirin Farajiが取締役会に加わり、 1988年以来Q-Chemの社長を務めていたPeter Gillが退任し、Anna Krylovが新しい社長に就任しました。2022年から2023年にかけて、Yuezhi MaoとJoonho Leeが取締役会に加わりました。現在、取締役会はLee、Mao、Faraji、Gill（前社長）、Herbert、Krylov（社長）、およびHilary Pople（Johnの娘）で構成されています。Martin Head-Gordonは引き続き取締役会の科学顧問を務めています。[ 6 ] [ 8 ]

現在、Q-Chemのライセンスは数千件使用されており、リリース2.0、3.0、4.0の引用記録が示すように、Q-Chemのユーザーベースは拡大しており、2016年には年間400件に達しました（図2参照）。[ 8 ]

図2. Q-Chemの引用数：2001年から2019年。

Q-Chemは、ハーバードクリーンエネルギープロジェクト[ 9 ] などの高スループット研究のエンジンとして使用されており、IBMワールドコミュニティグリッドで毎日約35万回の計算が実行されました。

図3. 2006年以降のQ-Chem開発者活動の統計。上のグラフ：月ごとのコードコミット総数（バーの高さ）と貢献した開発者数（バーの色）。下のグラフ：開発者ベースの成長。既存および新規開発者の月別推移。開発者ベースの着実な成長が見て取れます。インセットは、最も開発実績の多い開発者50名によるコミット総数を示しており、フルタイムチーム（2,000件超）、コア開発者チーム（500～2,000件）、非コア開発者（500件未満）の貢献度を示しています。

革新的なアルゴリズムと電子構造への新しいアプローチは、最先端の科学的発見を可能にしてきました。社内コードから主要な電子構造エンジンへのこの移行は、多くの科学協力者の貢献により可能になりました。Q-Chemのビジネスモデルは、幅広い開発者の参加を奨励しています。Q-Chemは、そのジャンルをオープンチームウェアと定義しています。 [ 8 ]ソースコードは、大規模な開発者グループに公開されています。さらに、一部のQ-Chemモジュールはオープンソースとして配布されています。[ 8 ] 1992年以来、400人以上の人がコード開発に費やされてきました。2019年12月にリリースされたQ-Chem 5.2.2は、750万行のコードで構成されており、これには300人以上のアクティブな開発者（現在の推定では312人）の貢献が含まれています。[ 6 ] [ 8 ]図3を参照してください。

機能

Q-Chemは、ハートリー・フォック法、時間依存密度汎関数理論（DFT）（ TDDFTを含む）、モラー・プレセ摂動論（MP2）、結合クラスター法（CC）、運動方程式結合クラスター法（EOM-CC）、[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]配置間相互作用（CI）、代数的ダイアグラム構成（ADC）、その他の高度な電子構造法など、一般的な量子化学計算を多数実行できます。Q-ChemにはQM/MM機能も含まれています。Q-Chem 4.0以降のリリースには、階層型入力ジェネレーター、分子ビルダー、一般的な視覚化機能（MO、密度、分子振動、反応経路など）を含むグラフィカルユーザーインターフェースIQMolが付属しています。IQMolは、Andrew Gilbert氏（Q-Chemと連携）によって開発され、無料のオープンソースソフトウェアとして配布されていますIQmolはQtライブラリを用いて記述されており、OS X、Windows、Linuxを含む様々なプラットフォームで動作します。Q-Chem計算の設定、実行、解析を直感的に行える環境を提供します。また、広く普及しているフォーマット済みチェックポイント形式を含む、様々なファイル形式の読み込みと表示が可能です。最新の機能一覧は、Q-Chemのウェブサイトとユーザーマニュアルに掲載されています。[ 6 ]

さらに、Q-ChemはWebMOとインターフェースされており、Spartanの計算エンジンとして、またはCHARMM、GROMACS、NAMD、ChemShellのバックエンドとして使用できます。JmolやMoldenといった他の一般的な可視化プログラムも使用できます。

2018年、Q-ChemはStreamNovation社が開発したBrianQCとの提携を開始しました。BrianQCは、GPUの計算能力を活用した新しい積分エンジンです。BrianQCプラグインは、混合アーキテクチャにおけるGPUのメリットを活用することでQ-Chemの計算を高速化し、巨大分子や拡張システムのシミュレーションに非常に効果的です。BrianQCは、高角運動量軌道を計算できる初のGPU量子化学ソフトウェアです。

基底状態自己無撞着場法

  • 制限付き、制限なし、制限付き開殻定式化
  • 構造最適化、調和周波数解析、第一原理分子動力学のための解析的第一および第二導関数
  • 高速収束のための効率的なアルゴリズム
  • さまざまな推測オプション（MOMを含む）

密度汎関数理論

  • 局所、GGA、mGGA、ハイブリッド、ダブルハイブリッド、分散補正、範囲分離など、さまざまな汎関数（エネルギーと解析的1次および2次微分）
  • TDDFT およびスピンフリップ TDDFT の定式化 (エネルギー、勾配、周波数)
  • 制約付きDFT

積分計算、HF/DFT、多体法の高速化とスケーリングの削減を実現する革新的なアルゴリズム

  • 双対基底
  • 恒等式の解決
  • 電子反発積分のコレスキー分解
  • 連続高速多重極法（CFMM）
  • mrXC（多重解像度交換相関）による交換相関の高速数値積分
  • 線形スケーリングHF交換法（LinK）
  • フーリエ変換クーロン法（FTC）
  • COLD PRISMとJマトリックスエンジン
  • 相関法における混合精度演算[ 13 ]

ポスト・ハートリー・フォック法

  • MP2 [ 14 ] [ 15 ]（RI-MP2、[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]エネルギーおよび解析的勾配を含む）
  • SCS、SOS-MP2、およびOO-MP2
  • CCD、QCISD、CCSD、OOCCD、VOOCCD
  • (T)、(2)、(dT)、(fT)補正
  • 開殻および電子励起種に対するEOM-XX-CCSD法（XX=EE、SF、IP、EA、DIP、DEA、2SF；ほとんどの方法のエネルギー、特性、勾配）[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]共鳴（電子分離に関して準安定状態）を扱うための複素数値変種を含む[ 13 ]
  • DFTと多体法の拡張によるコアレベル状態と関連分光法の取り扱い[ 19 ]
  • ADC法
  • 励起状態に対するCIS法、TDDFT法、CIS(D)法、SOS-CIS(D)法
  • 多様な暗黙的溶媒モデル
  • Felix Plasserらが開発したlibwfaによって実現される波動関数解析ツール[ 20 ]

拡張システムのためのQM/MM法とQM/EFP法

  • Janus QM/MMインターフェース
  • 連結原子のない陰陽原子モデル
  • ONIOMモデル
  • EFP法（有効フラグメントのライブラリ、CC/EOMとのEFPインターフェース、DFT/TDDFT、およびその他の手法を含む）[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

バージョン履歴

Q-Chem 2.0以降は、メジャーリリースバージョンのみが表示されます

  • Q-Chem 1.0: 1997年3月
  • Q-Chem 1.1: 1997 [ 25 ]
  • Q-Chem 1.2 1998 [ 26 ]
  • Q-Chem 2.0: 2000 [ 1 ]
  • Q-Chem 3.0: 2006 [ 2 ]
  • Q-Chem 4.0: 2012年2月
  • Q-Chem 5.0: 2017年6月
  • Q-Chem 5.2.2: 2019年12月
  • Q-Chem 5.3.2: 2020年12月
  • Q-Chem 5.4: 2021年6月
  • Q-Chem 5.4.1: 2021年8月
  • Q-Chem 5.4.2: 2021年12月
  • Q-Chen 6.0: 2022年7月
  • Q-Chem 6.1.0: 2022年12月
  • Q-Chem 6.1.1: 2023年12月
  • Q-Chem 6.2.0: 2024年5月
  • Q-Chem 6.2.2: 2024年11月

参照

参考文献

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