任意周期性条件下静电势的快速Ewald求和

提出了一种统一处理方法，用于在三个空间维度中任意或无周期性边界条件下快速且谱精度地计算静电势。利用Ewald分解将问题拆分为实空间部分和傅里叶空间部分，并采用基于FFT的谱Ewald（SE）方法加速后者的计算。统一处理的关键组件是基于FFT的自由空间泊松问题求解技术，适用于三维、二维或一维，取决于非周期方向的数目。通过为双周期和单周期情况采用自适应FFT，允许不同的局部上采样因子，进一步降低了计算成本。SE方法在三重周期情况下始终最高效，因为此时FFT计算成本最小，而算法其余部分的计算成本本质上与周期性无关。我们表明，从三个方向中移除一或两个方向的周期性边界条件，仅会适度增加总运行时间。比较还显示，SE方法在自由空间情况下的计算成本约为三重周期情况的四倍。先前SE方法中使用的高斯窗函数，此处与分段多项式近似的Kaiser-Bessel窗函数进行了比较。通过基于该新窗函数误差估计精心调整的形状参数，SE方法的运行时间可进一步缩短。此外，我们考虑了计算力的不同方法，并将SE方法的运行时间与快速多极子方法进行了比较。