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Sandbox Physics
电子与原子核怎样一起运动

L4 · 第 8 章

怎样判断一次方法比较有没有说服力

一个算法算得快、曲线也很平滑,还不足以说明它算对了。可信的比较先固定问题,再让量子参考收敛,最后把轨迹采样误差与持续存在的算法差异分开。保存初态、种子和出口定义,别人才能重做同一次比较。

先定义要比较的出口

以低面入射的 Tully 模型为例。核坐标 RR 向右为正,左出口取 R<−4R<-4,右出口取 R>4R>4,长度用 玻尔。每个出口再按同一组绝热态投影分成低面与高面;中央区域的剩余概率单独保留。

在量子计算中,出口概率是投影密度的空间积分。轨迹方法按同一位置窗计数,Ehrenfest 还需使用电子投影权重。FSSH 的活跃势面计数与电子振幅投影都是有用的诊断,但不能在表格中不加说明地互换。

有限时刻的出口概率与无穷远散射概率不同。入口波包尚未通过,或出射分支尚未离开中央区时,应延长时间再比较。吸收层位于更远的数值边缘。比较表把各出口仍在网格内的概率,与远处吸收层按方向、电子态收集的出射概率相加;两部分也分别保存。扩大盒子、关闭吸收层的独立计算检验这项修正。

对应阅读:John C. Tully · Cigrang et al.

区域概率的改变来自边界通量

先看固定透热基底中的总概率密度 ρ=χ†χ\rho=\boldsymbol\chi^\dagger\boldsymbol\chi。将薛定谔方程与其复共轭相减,实对称势能项相消,留下连续性方程。概率流 jj 由核波函数的空间相位梯度决定。

对区间 [a,b][a,b] 积分,区间概率的变化率等于左边流入减右边流出。若加入复吸收势,还要计入对应的损失。某一绝热通道的连续性方程,还要包含通道间转移的源项。

j=ℏMIm⁡ ⁣(χ†∂Rχ),∂tρ+∂Rj=0j=\frac{\hbar}{M}\operatorname{Im}\!\left(\boldsymbol\chi^\dagger\partial_R\boldsymbol\chi\right),\qquad \partial_t\rho+\partial_R j=0
此式在没有吸收层的内部区域成立。
ddt∫abρ dR=j(a,t)−j(b,t)\frac{d}{dt}\int_a^b\rho\,dR=j(a,t)-j(b,t)
区域概率与累计净通量提供两种不同的数值检查。多次往返时,净通量与首次到达概率还不相同。

守恒与收敛分别排查不同问题

没有吸收时,量子范数应保持一。加入吸收后,要检查剩余范数与累计损失之和。能量则在波包进入吸收层前比较;吸收层会移除能量,不能要求剩余波函数的能量始终不变。

网格检查保持物理区间不变、增加采样点,观察出口概率和高波数尾部。时间步检查保持网格不变、把步长减半。边界检查扩大盒子或改变吸收层,观察内部结果是否稳定。这三次改变回答不同问题。

表象检查必须同时变换初态、势能与测量投影。常数酉旋转应保持总密度;位置相关旋转还要变换动能。要得到准确的电子转移与分支比例,还需解析空间结构,并检查演化收敛。

完整算例:轨迹数增加四倍能改善多少

设 N=400N=400 条相互独立轨迹中,240240 条到达某个出口,估计概率 p^=0.6\hat p=0.6。二项计数的标准误约为 p^(1−p^)/N≃0.0245\sqrt{\hat p(1-\hat p)/N}\simeq0.0245。把轨迹数增为 16001600,在相同概率附近标准误约为 0.01220.0122,下降一半。

若收敛量子参考为 0.450.45,两者差为 0.150.15,远大于这份计数标准误,就值得继续检查方法差异。仍需确认量子误差、初态匹配和出口时间;仅靠一个标准误无法替代这些检查。

对带电子权重的平均数,应用权重样本的方差估计标准误,不能直接套二项公式。改变随机种子可重复评估采样稳定性;量子网格误差则用网格与步长改变来评估。

SE⁡(p^)≃p^(1−p^)N,SE⁡(wˉ)≃swN\operatorname{SE}(\hat p)\simeq\sqrt{\frac{\hat p(1-\hat p)}{N}},\qquad \operatorname{SE}(\bar w)\simeq\frac{s_w}{\sqrt N}
前式用于独立零一计数;后式用于独立轨迹权重,样本标准差记为末式中的量。

保存记录以后,才讨论成本与偏差

一次可复算比较保存势能版本、单位、波包宽度约定、初始电子态、网格、盒子、时间步、结束时刻、轨迹数、种子、跳跃拒绝规则与出口窗。时间序列和末态轨迹能帮助重算表格,而不只留下几张截图。

计算成本要说明量的是什么:纯求解时间、含初态生成的总时间、每条轨迹步数,还是连绘图和文件下载都算进去的页面耗时。不同硬件上的毫秒数不能直接当作算法复杂度。重复测量时固定数值精度与任务。

2025 年基准路线图把模型、电子结构、初态和观测量列为需要共同约定的部分。这里先完成相同低维模型的算法比较;把结论用于具体分子,还需加入电子结构误差、缺失自由度与真实实验的观测过程。

对应阅读:Cigrang et al.

读原论文基准时,核对波包宽度与图轴

Tully 原论文的散射图采用自己的入射波包宽度约定。复算选定动量时,要把原文的振幅宽度换成位置概率标准差,并保存换算。设原文 高斯 振幅为 e−(R−R0)2/σ2e^{-(R-R_0)^2/\sigma^2},概率标准差就是 σ/2\sigma/2。

若参考值从扫描图读出,图像分辨率与读点方法也带来误差。把复算结果与参考区间比较,能够检查限定图点;限定图点复算与网格、步长收敛分别检查不同问题。

动手检验预测

保存一份可重做的比较

  1. 固定一个预设,记录出口概率、中央剩余概率、损失、能量漂移和求解时间。
  2. 只增加轨迹数并更换种子,观察标准误怎样变化。
  3. 导出 JSON 与 CSV,检查它们能否说明模型、初态、出口、数值设置和实际求解成本。

练习与解释性答案

  1. 增加轨迹后误差条缩小,但平均值与量子参考的差距不变,应该怎样解释?

    展开解释

    采样噪声在减小。先排除初态、出口定义与量子离散误差后,持续差距可归于该设置和观测量下的方法近似。

  2. 总范数保持得很好,为什么还要改变网格?

    展开解释

    离散演化可以精确保持范数,却错误地解析波长、势能或反射。守恒与解的收敛是独立要求。

来源与计算范围

  1. John C. Tully, Molecular dynamics with electronic transitions, J. Chem. Phys. 93, 1061–1071 (1990)

    已发表的方法原文。第 II—III 节定义最少切换算法与一维测试模型。三种方法的比较采用其中的简单避免交叉 Hamiltonian;核波包、有限出口窗和数值设置随记录保存。

  2. Cigrang et al., Roadmap for Molecular Benchmarks in Nonadiabatic Dynamics, arXiv:2502.14569v3

    固定 2025 年 7 月 4 日作者版本,对应已发表的 Perspective,DOI 10.1021/acs.jpca.5c02171。第 II A—F 节分别讨论体系、动力学方法、电子结构、初态、观测量与实验比较;它提出基准建设路线,并未给出适用于一切分子的算法排名。

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