Система управления квантово-химическими задачами на вычислительных кластерах – EasyQuanto

С недавних пор квантово-химические расчеты активно входят в практику все большего количества исследователей в различных сферах науки и образования. Причиной этому послужили простые и доступные для использования квантово-химические программы, которые способны решать очень сложные задачи, но при этом они не посвящают в детали алгоритмов и математических вычислений самого исследователя. Однако с увеличением количества решаемых задач существенно возрастает рутинная нагрузка на исследователя, так как большинство квантово-химических программ работает в ОС Linux и не имеет удобного диалогового интерфейса. Команды  запуска задач, проверки состояния вычислительных процессов, остановка, приостановка или продолжение процессов, архивирование данных и многие другие функции должны выполняться пользователем в ручном режиме, а именно в консоли. Даже создание bash скриптов существенно не решает проблему, поскольку не освобождает значительную часть времени исследователя, ибо сами такие скрипты нужно тщательно обдумать и сформировать.

С целью оптимизации рабочего времени исследователей, занимающихся квантово-химическими расчетами, создана "Система управления квантово-химическими задачами - EasyQuanto". Благодаря удобному диалоговому интерфейсу, работа с расчетными задачами превращается в веселую игру, а все рутинные команды выполняются сами по себе, без участия пользователя. Реализована возможность пакетной обработки результатов квантово-химических вычислений, куда входят достаточно сложные алгоритмы по анализу выходных данных - моделирование спектров, построение таблиц, удобных для копирования в научную статью,  анализ данных о возбужденных состояниях молекул и нелинейно-оптических свойствах среды. Одним из составляющих элементов EasyQuanto является модуль Shedule – резидентное приложение, которое отвечает за автоматический запуск задач путем непрерывного отслеживания очереди. В ядро EasyQuanto встроено множество команд ОС Linux и интерфейса MPI (универсальный интерфейс передачи сообщений между вычислительными модулями на вычислительных кластерах). В настоящее время EasyQuanto работает с квантово-химическими программами PRIRODA и GAMESS-US. Получено свидетельство о государственной регистрации (№ 2015619026, заявитель и правообладатель ФГБУН ИФАВ РАН, автор – профессор РАН Толбин Александр Юрьевич).

С 2016 года в состав EasyQuanto входит модуль OPL Simulator, назначение которого состоит в моделировании свойств оптических лимитеров. Проблема защиты технически сложных приборов и органов зрения от излучения высокой мощности наиболее остро встает именно в наши дни. Долголетний поиск подходящих рабочих компонентов оптических лимитеров не увенчался существенным успехом. Причиной является сложность самого процесса ограничения лазерного излучения, включающего в себя целый комплекс нелинейных эффектов взаимодействия света с веществом, а главное, - отсутствие количественной модели, которая позволяла бы по структурным и спектральным параметрам молекул красителей предсказывать целесообразность проведения физических экспериментов по созданию устройств – оптических ограничителей. Одним из наиболее известных механизмов оптического ограничения лазерного излучения является обратное насыщенное поглощение (ОНП), суть которого заключается в поглощении световой энергии из возбужденных состояний, благодаря сильно поляризованной системе электронного сопряжения рабочего вещества. ОНП хорошо известно для фталоцианинов и их ближайших аналогов – порфиринов и порфиразинов, и именно на его основе можно разрабатывать модели предсказания эффективности использования красителей в технологии создания оптических лимитеров.

В основе алгоритма работы модуля OPL Simulator лежит анализ большого количества выходных файлов квантово-химической программы GAMESS-US, сформированных путем решения задачи воздействия однородного электростатического поля (finite field) на энергию и осцилляцию переходов в модельных TDDFT-спектрах.

Поскольку поле – величина векторная, необходимо изучить его воздействие на молекулу в каждом направлении (x;y;z) для каждого его абсолютного значения (0.001 – 0.03 a.u. с шагом 0.002 a.u.). Чтобы выполнить такой анализ, необходимо получить не менее 10 точек, т.е. обработать как минимум 180 выходных файлов. Ручной анализ результатов займет примерно целый рабочий день, а EasyQuanto OPL Simulator справится с этой задачей за 20-30 сек.

В результате будут рассчитаны параметры оптического ограничения – диапазоны, пороги и коэффициенты ослабления потока энергии (или мощности), а по значениям выходной энергии (или мощности) и пропускания можно построить графические зависимости для иллюстрации нелинейного характера процесса оптического ограничения. Опция «Compare OPL results» позволит сравнить параметры оптического ограничения для ряда молекул.

Функциональные возможности EasyQuanto успешно протестированы на Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН.