Logotyp: till Uppsala universitets webbplats

uu.sePublikationer från Uppsala universitet
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Efficient and Reliable Simulation of Quantum Molecular Dynamics
Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Matematisk-datavetenskapliga sektionen, Institutionen för informationsteknologi, Avdelningen för beräkningsvetenskap. Uppsala universitet, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Matematisk-datavetenskapliga sektionen, Institutionen för informationsteknologi, Tillämpad beräkningsvetenskap.
2012 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

The time-dependent Schrödinger equation (TDSE) models the quantum nature of molecular processes.  Numerical simulations based on the TDSE help in understanding and predicting the outcome of chemical reactions. This thesis is dedicated to the derivation and analysis of efficient and reliable simulation tools for the TDSE, with a particular focus on models for the interaction of molecules with time-dependent electromagnetic fields.

Various time propagators are compared for this setting and an efficient fourth-order commutator-free Magnus-Lanczos propagator is derived. For the Lanczos method, several communication-reducing variants are studied for an implementation on clusters of multi-core processors. Global error estimation for the Magnus propagator is devised using a posteriori error estimation theory. In doing so, the self-adjointness of the linear Schrödinger equation is exploited to avoid solving an adjoint equation. Efficiency and effectiveness of the estimate are demonstrated for both bounded and unbounded states. The temporal approximation is combined with adaptive spectral elements in space. Lagrange elements based on Gauss-Lobatto nodes are employed to avoid nondiagonal mass matrices and ill-conditioning at high order. A matrix-free implementation for the evaluation of the spectral element operators is presented. The framework uses hybrid parallelism and enables significant computational speed-up as well as the solution of larger problems compared to traditional implementations relying on sparse matrices.

As an alternative to grid-based methods, radial basis functions in a Galerkin setting are proposed and analyzed. It is found that considerably higher accuracy can be obtained with the same number of basis functions compared to the Fourier method. Another direction of research presented in this thesis is a new algorithm for quantum optimal control: The field is optimized in the frequency domain where the dimensionality of the optimization problem can drastically be reduced. In this way, it becomes feasible to use a quasi-Newton method to solve the problem.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2012. , s. 52
Serie
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 970
Nyckelord [en]
time-dependent Schrödinger equation, quantum optimal control, exponential integrators, spectral elements, radial basis functions, global error control and adaptivity, high-performance computing implementation
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik
Forskningsämne
Beräkningsvetenskap med inriktning mot numerisk analys
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:uu:diva-180251ISBN: 978-91-554-8466-8 (tryckt)OAI: oai:DiVA.org:uu-180251DiVA, id: diva2:549981
Disputation
2012-10-19, Room 2446, Polacksbacken, Lägerhyddsvägen 2D, Uppsala, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Projekt
eSSENCE
Forskningsfinansiär
eSSENCE - An eScience CollaborationTillgänglig från: 2012-09-27 Skapad: 2012-09-01 Senast uppdaterad: 2013-01-23Bibliografiskt granskad
Delarbeten
1. Accurate time propagation for the Schrödinger equation with an explicitly time-dependent Hamiltonian
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Accurate time propagation for the Schrödinger equation with an explicitly time-dependent Hamiltonian
2008 (Engelska)Ingår i: Journal of Chemical Physics, ISSN 0021-9606, E-ISSN 1089-7690, Vol. 128, s. 184101:1-11Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik Datavetenskap (datalogi)
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-16180 (URN)10.1063/1.2916581 (DOI)000255983500008 ()
Tillgänglig från: 2008-05-10 Skapad: 2008-05-10 Senast uppdaterad: 2018-01-12Bibliografiskt granskad
2. Global error control of the time-propagation for the Schrödinger equation with a time-dependent Hamiltonian
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Global error control of the time-propagation for the Schrödinger equation with a time-dependent Hamiltonian
2011 (Engelska)Ingår i: Journal of Computational Science, ISSN 1877-7503, E-ISSN 1877-7511, Vol. 2, s. 178-187Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-156538 (URN)10.1016/j.jocs.2011.02.003 (DOI)000208808200011 ()
Projekt
eSSENCE
Tillgänglig från: 2011-02-18 Skapad: 2011-07-31 Senast uppdaterad: 2017-12-08Bibliografiskt granskad
3. A time–space adaptive method for the Schrödinger equation
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>A time–space adaptive method for the Schrödinger equation
2012 (Engelska)Rapport (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this paper, we present a discretization of the time-dependent Schrödinger equation based on a Magnus-Lanczos time integrator and high-order Gauss-Lobatto finite elements in space. A truncated Galerkin orthogonality is used to obtain duality-based a posteriori error estimates that address the temporal and the spatial error separately. Based on this theory, a space-time adaptive solver for the Schrödinger equation is devised. An efficient matrix-free implementation of the differential operator, suited for spectral elements, is used to enable computations for realistic configurations. We demonstrate the performance of the algorithm for the example of matter-field interaction.

Serie
Technical report / Department of Information Technology, Uppsala University, ISSN 1404-3203 ; 2012-023
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-180182 (URN)
Projekt
eSSENCE
Anmärkning

Updated 2012-09-12 (typos fixed).

Tillgänglig från: 2012-08-31 Skapad: 2012-08-31 Senast uppdaterad: 2024-05-30Bibliografiskt granskad
4. Error control for simulations of a dissociative quantum system
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Error control for simulations of a dissociative quantum system
2010 (Engelska)Ingår i: Numerical Mathematics and Advanced Applications: 2009, Berlin: Springer-Verlag , 2010, s. 523-531Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Berlin: Springer-Verlag, 2010
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik Datavetenskap (datalogi)
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-132929 (URN)10.1007/978-3-642-11795-4_56 (DOI)000395207900056 ()978-3-642-11794-7 (ISBN)
Projekt
eSSENCE
Tillgänglig från: 2010-10-29 Skapad: 2010-10-29 Senast uppdaterad: 2018-06-16Bibliografiskt granskad
5. Communication-efficient algorithms for numerical quantum dynamics
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Communication-efficient algorithms for numerical quantum dynamics
2012 (Engelska)Ingår i: Applied Parallel and Scientific Computing: Part II, Berlin: Springer-Verlag , 2012, s. 368-378Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Berlin: Springer-Verlag, 2012
Serie
Lecture Notes in Computer Science ; 7134
Nationell ämneskategori
Datavetenskap (datalogi) Beräkningsmatematik
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-135980 (URN)10.1007/978-3-642-28145-7_36 (DOI)000309716000036 ()978-3-642-28144-0 (ISBN)
Konferens
PARA 2010: State of the Art in Scientific and Parallel Computing
Projekt
eSSENCEUPMARC
Tillgänglig från: 2012-02-16 Skapad: 2010-12-09 Senast uppdaterad: 2018-01-12Bibliografiskt granskad
6. Parallel finite element operator application: Graph partitioning and coloring
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Parallel finite element operator application: Graph partitioning and coloring
2011 (Engelska)Ingår i: Proc. 7th International Conference on e-Science, Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society, 2011, s. 332-339Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society, 2011
Nationell ämneskategori
Datavetenskap (datalogi) Beräkningsmatematik
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-166267 (URN)10.1109/eScience.2011.53 (DOI)978-1-4577-2163-2 (ISBN)
Projekt
eSSENCE
Tillgänglig från: 2012-01-09 Skapad: 2012-01-11 Senast uppdaterad: 2018-01-12Bibliografiskt granskad
7. An RBF–Galerkin approach to the time-dependent Schrödinger equation
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>An RBF–Galerkin approach to the time-dependent Schrödinger equation
2012 (Engelska)Rapport (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

In this article, we consider the discretization of the time-dependent Schrödinger equation using radial basis functions (RBF). We formulate the discretized problem over an unbounded domain without imposing explicit boundary conditions. Since we can show that time-stability of the discretization is not guaranteed for an RBF-collocation method, we propose to employ a Galerkin ansatz instead. For Gaussians, it is shown that exponential convergence is obtained up to a point where a systematic error from the domain where no basis functions are centered takes over. The choice of the shape parameter and of the resolved region is studied numerically. Compared to the Fourier method with periodic boundary conditions, the basis functions can be centered in a smaller domain which gives increased accuracy with the same number of points.

Serie
Technical report / Department of Information Technology, Uppsala University, ISSN 1404-3203 ; 2012-024
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-180388 (URN)
Projekt
eSSENCE
Tillgänglig från: 2012-09-05 Skapad: 2012-09-05 Senast uppdaterad: 2024-05-30Bibliografiskt granskad
8. A Fourier-coefficient based solution of an optimal control problem in quantum chemistry
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>A Fourier-coefficient based solution of an optimal control problem in quantum chemistry
2010 (Engelska)Ingår i: Journal of Optimization Theory and Applications, ISSN 0022-3239, E-ISSN 1573-2878, Vol. 147, s. 491-506Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Nationell ämneskategori
Beräkningsmatematik Datavetenskap (datalogi)
Identifikatorer
urn:nbn:se:uu:diva-128817 (URN)10.1007/s10957-010-9735-9 (DOI)000283509600006 ()
Projekt
eSSENCE
Tillgänglig från: 2010-07-21 Skapad: 2010-07-25 Senast uppdaterad: 2018-01-12Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(2300 kB)1693 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 2300 kBChecksumma SHA-512
7924e0e1a082a408809d39683aa66789ca6844bbaea8eeb476164700839c2db4a016e2da21a18d8db7710a52a5ae3e63fc40e585cdacb6510be495e44a3ae487
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Person

Kormann, Katharina

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Kormann, Katharina
Av organisationen
Avdelningen för beräkningsvetenskapTillämpad beräkningsvetenskap
Beräkningsmatematik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 1694 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 3683 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf