Efficient Monte Carlo Methods for Nonequilibrium Statistical Physics
非平衡统计物理的高效蒙特卡罗方法
基本信息
- 批准号:2012207
- 负责人:
- 金额:$ 20万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-08-15 至 2024-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The PI will develop and analyze efficient computational methods for the simulation of nonequilibrium systems. This work will focus on fundamental problems from chemistry, such as the calculation of reaction rates. Potential applications include drug design, the analysis and interpretation of single-molecule experiments, and the development of a better understanding of the chemical reaction networks that regulate and sustain life. The PI will implement the methods and disseminate them in open-source software. This software will be designed for use by scientists, and will interface with existing computational chemistry software. The educational component of the proposed work will bring diverse groups of high school students onto the campus of the host institution for a summer course in data science emphasizing the use of computer simulations to understand problems such as the COVID-19 pandemic and racial bias in jury selection. This project will support one undergraduate student in year 1 and 1 graduate student each year of years 2 and 3.Nonequilibrium can be used to describe two types of quantities: (a) averages over the steady-state distribution of an irreversible stochastic process and (b) dynamic properties of reversible or irreversible stochastic processes, for example mean first passage times. Typical nonequilibrium calculations involve rare events. For example, when calculating the folding rate of a protein, the time step used in simulation may be ten or more orders of magnitude below the time between folding events, rendering direct simulation impractical. However, classical rare event methods like importance sampling do not usually apply in the nonequilibrium case. The PI will analyze and improve a new class of rare event methods that adapt the principle of stratified survey sampling to nonequilibrium calculations. Building on ideas from stochastic approximation and the theory of multigrid methods, the PI will provide a convergence analysis, develop practical a posteriori error estimates, and identify classes of problems for which stratification is more efficient than competing methods.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
PI将开发和分析非平衡系统模拟的有效计算方法。这项工作将侧重于化学的基本问题,如反应速率的计算。潜在的应用包括药物设计,单分子实验的分析和解释,以及更好地理解调节和维持生命的化学反应网络。PI将实施这些方法,并在开放源码软件中传播。该软件将被设计为供科学家使用,并将与现有的计算化学软件接口。拟议工作的教育部分将把不同群体的高中生带到主办机构的校园,参加数据科学暑期课程,重点是使用计算机模拟来理解COVID-19大流行和陪审团选择中的种族偏见等问题。非平衡态可以用来描述两种类型的量:(a)不可逆随机过程的稳态分布的平均值和(B)可逆或不可逆随机过程的动力学性质,例如平均首次通过时间。典型的非平衡计算涉及罕见事件。例如,当计算蛋白质的折叠速率时,模拟中使用的时间步长可能比折叠事件之间的时间低十个或更多个数量级,从而使得直接模拟不切实际。然而,经典的稀有事件方法,如重要性抽样,通常不适用于非平衡的情况下。PI将分析和改进一类新的罕见事件方法,该方法将分层调查抽样的原理应用于非平衡计算。基于随机近似和多重网格方法理论的思想,PI将提供收敛性分析,开发实用的后验误差估计,并确定分层比竞争方法更有效的问题类别。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。
项目成果
期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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- 发表时间:2023
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- 影响因子:0
- 作者:Li, Xiang Sherry;Van Koten, Brian;Dinner, Aaron R.;Thiede, Erik H.
- 通讯作者:Thiede, Erik H.
Aggregation Methods for Computing Steady States in Statistical Physics
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- DOI:10.1137/22m1530628
- 发表时间:2023
- 期刊:
- 影响因子:1.6
- 作者:Earle, Gabriel;Van Koten, Brian
- 通讯作者:Van Koten, Brian
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Brian Van Koten其他文献
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