QUICK 开源量子化学软件使用教程

QUICK 开源量子化学软件使用教程

1. 项目介绍

QUICK 是一个由加州大学圣地亚哥分校的 Götz 实验室和密歇根州立大学的 Merz 实验室共同开发的 GPU 加速的从头量子化学软件包。QUICK 支持多种量子化学计算方法，包括 Hartree-Fock 和密度泛函理论（DFT），并支持多种功能，如梯度和几何优化计算、Mulliken 电荷分析、Molden 格式导出等。QUICK 还支持 QM/MM 计算与 Amber22 及更高版本的集成，并提供 Fortran API 用于将 QUICK 作为 QM 能量和力引擎。

主要功能

Hartree-Fock 和 DFT 计算：支持 LDA、GGA 和混合 GGA 泛函。几何优化：支持内部优化器和 DL-FIND 优化器。Mulliken 电荷分析：提供广泛的 Gaussian 基组支持。Molden 格式导出：用于几何和轨道数据的可视化。QM/MM 计算：与 Amber22 及更高版本兼容。MPI 并行化：支持 CPU 平台的并行计算。GPU 加速：通过 CUDA/HIP 实现 Nvidia/AMD GPU 的并行计算。

限制

仅支持能量/梯度计算，基函数最高支持到 f 函数。GPU f 函数代码优化不足，需要大量 RAM。仅支持笛卡尔基函数，不支持球谐函数。不支持有效核势（ECPs）。DFT 计算仅使用 SG1 网格系统。不支持 meta-GGA 泛函和范围分离混合泛函。

2. 项目快速启动

安装指南

QUICK 支持 Linux（x86 和 ARM）和 macOS（x86 和 ARM）平台。以下是快速安装步骤：

克隆仓库：

git clone https://github.com/merzlab/QUICK.git

cd QUICK

安装依赖：

sudo apt-get install build-essential cmake gfortran

配置和编译：

mkdir build

cd build

cmake ..

make

运行测试：

make test

示例代码

以下是一个简单的 Hartree-Fock 计算示例：

./quick h2o.inp

其中 h2o.inp 是一个包含水分子几何信息的输入文件。

3. 应用案例和最佳实践

应用案例

QUICK 在多个领域有广泛应用，包括但不限于：

药物设计：用于计算小分子和蛋白质的电子结构，优化药物分子的几何结构。材料科学：用于研究新材料的光学、电学和磁学性质。环境科学：用于模拟大气污染物和环境污染物的反应路径。

最佳实践

优化计算资源：使用 GPU 加速可以显著提高计算效率，特别是在处理大分子系统时。选择合适的基组：根据研究需求选择合适的基组，以平衡计算精度和计算成本。并行计算：利用 MPI 并行化技术，可以在多核 CPU 或多个 GPU 上进行并行计算，进一步提高计算速度。

4. 典型生态项目

QUICK 作为一个量子化学软件，与其他开源项目有良好的兼容性，以下是一些典型的生态项目：

Amber：用于分子动力学模拟，QUICK 可以作为 QM 能量和力引擎集成到 Amber 中。Molden：用于可视化分子轨道和几何结构，QUICK 支持将计算结果导出为 Molden 格式。DL-FIND：一个开源的几何优化器，QUICK 支持使用 DL-FIND 进行几何优化计算。

通过这些生态项目的集成，QUICK 可以为用户提供更全面的量子化学计算解决方案。