基于路径积分分子动力学的大规模全同粒子从头算模拟的GPU加速
计算物理
2026-03-31 v1 量子气体
化学物理
摘要
路径积分蒙特卡洛（PIMC）和路径积分分子动力学（PIMD）为全同粒子的从头算模拟提供了黄金标准。本文基于PIMD实现了显著的GPU加速（PIMD在从头算模拟中与PIMC等价），并开发了一个不依赖任何第三方库的开源PIMD代码库。数值实验表明，对于谐振子阱中1600个相互作用的全同玻色子系统，使用单个GPU和单个CPU仅需两小时即可达到满意的模拟精度。随着全同粒子数量的增加，GPU加速相对于CPU的优势更加明显，使得使用单个GPU从头算模拟数万个全同粒子成为可能。例如，对于10000个非相互作用玻色子系统，数值实验表明需要23小时获得与精确结果高度一致的模拟。我们的研究表明，GPU加速可以为超过10000个粒子的极大尺度全同粒子量子系统的PIMD模拟的广泛应用奠定坚实基础。数值实验表明，24GB GPU可以模拟多达40000个全同粒子的从头算，并且GPU加速导致计算时间与全同粒子数量大致呈线性关系。此外，我们还成功实现了基于GPU的虚拟全同粒子热力学模拟以克服费米子符号问题，这使得基于GPU高效准确地模拟数万个费米子成为可能。
引用
@article{arxiv.2404.02628,
title = {GPU acceleration of ab initio simulations of large-scale identical particles based on path integral molecular dynamics},
author = {Yunuo Xiong},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.02628},
year = {2026}
}
备注
23 pages. 7 figures