GPUMD QTB 与末态数据检查

QTB是量子热浴的近似方法，使用带有量子能谱的有色随机力，引入零点能等核量子贡献。它不是精确量子动力学，也不能靠短轨迹自动给出收敛量子热力学量。本篇先讲如何实际运行，再解释输出温度与普通NVT为何不同。

1. NVT-QTB完整输入#

共同准备完成后，在计算资源中执行：

bash run.sh cu-nvt-qtb
grep -A 8 'Use NVT' work/cu-nvt-qtb/run.log

cu-nvt-qtb / run.in

potential potential.txt
time_step 1
ensemble nvt_qtb 300 300 100 f_max 20 N_f 64
dump_thermo 100
dump_xyz 1000 trajectory.xyz precision double mass velocity force potential virial unwrapped_position
dump_restart 20000
run 20000

300是热浴目标温度K；100是按步数计的摩擦耦合参数；f_max 20 的频率单位为ps⁻¹，N_f 64 设置滤波频率点数。这些参数用于当前Cu/Ar操作例子，正式应用需按最高振动频率、滤波分辨率及耦合强度检查。不能把20ps⁻¹直接照搬给含O–H等高频振动的体系。

2. NPT-QTB写法不同#

cu-npt-qtb / run.in

potential potential.txt
time_step 1
ensemble npt_qtb iso 0 0 temp 300 300 tperiod 100 pperiod 2000 f_max 20 N_f 64
dump_thermo 100
dump_xyz 1000 trajectory.xyz precision double mass velocity force potential virial unwrapped_position
dump_restart 20000
run 20000

它组合QTB与MTTK/Parrinello–Rahman控压。Ar的完整对应输入也在资料包中：

potential potential.txt
time_step 2
ensemble nvt_qtb 120 120 100 f_max 20 N_f 64
dump_thermo 100
dump_xyz 1000 trajectory.xyz precision double mass velocity force potential virial unwrapped_position
dump_restart 10000
run 10000

potential potential.txt
time_step 2
ensemble npt_qtb iso 0 0 temp 120 120 tperiod 100 pperiod 2000 f_max 20 N_f 64
dump_thermo 100
dump_xyz 1000 trajectory.xyz precision double mass velocity force potential virial unwrapped_position
dump_restart 10000
run 10000

3. 为什么不是一直等于300K或120K#

普通经典温度按动能计算；QTB的核量子零点能贡献也进入运动，因此输出动能温度可以高于热浴目标，不能为了把曲线压回目标值，再叠加经典速度重标度。

这些是本次20ps轨迹后半段的描述性均值，不是收敛核量子修正或精度评估。正式QTB还要考虑零点能泄漏、模式间交换、参数和采样收敛。官方QTB说明给出了方法和本版本语法。

4. 同一输出步，不一定处在同一更新阶段#

某些算法先计算并缓存thermo，再调整速度或晶胞。thermo.out 的动能与最终轨迹速度重构出的动能，因此未必是同一个更新时刻。Berendsen本版的最后重标度满足 K_after=K_cached×[1+(T_target/T_cached−1)/T_coup]，本例也按这个关系核对，而不是把二者有差异直接当成错误。

例如本次Cu NVT-BDP最后一步，按最终速度重新计算的动能与缓存动能相差 -0.114791 eV；这反映更新阶段，不是能量守恒误差。NVT任务本来也会与热浴交换能量。

5. 用末态重算对齐构型和数值#

资料包会将每个 restart.xyz 作为新的静态输入，采用零时间步NVE导出；不再施加控温或控压。生成文件在 work/条件名/post-static/：

cat work/cu-nvt-bdp/post-static/run.in
tail -n 1 work/cu-nvt-bdp/post-static/thermo.out
head -n 2 work/cu-nvt-bdp/post-static/snapshot.xyz

其完整控制输入为：

potential potential.txt
time_step 0
ensemble nve
dump_thermo 1
dump_xyz 1 snapshot.xyz precision double mass velocity force potential virial
run 1

analyze.sh work common 会先调用原生GPUMD完成尚未生成的末态导出，再独立求和核对：质量与速度得到动能，动能得到温度，动能张量与virial除以体积得到压力。Ar还使用独立逐对LJ求和验证相同末态的能量、力和virial。

本版未固定分组的这些算例中，thermo温度使用3N的定义；单位换算按本版原生常数处理，并以SI换算交叉核对其舍入差异。不要随意套用其他程序的自由度或速度单位。这里的 precision double 只控制输出位数，不能改变势内部的数值精度。

资料包与完整运行#

下载完整输入、真实参考数据、末态重算与绘图脚本，解压后进入目录。先重画随包结果：

bash analyze.sh

输出为 reference/analysis/ 下的CSV、数值摘要和 reference/figures/ 中的图片。原生末态重算结果已经随包，分析会先核对其输入，再处理数据。

新解压目录提交准备加一个Cu NVT-BDP实例：

sbatch run.slurm

提交完整46条件、两个材料准备流程和依赖分析：

bash submit.sh

只生成脚本检查，用 bash submit.sh --dry-run。整套完成后：

bash analyze.sh work common

这一步对每个重启末态做零步静态导出，再独立分析和画图，应在已分配的计算资源内执行；生成的分析作业已包含这些命令。只运行单例时，先直接查看其 thermo.out、trajectory.xyz、restart.xyz，统一分析需要46条件齐全。

run.slurm 默认一张P100、一个CPU核、gpu-8p100-hs；套餐用户按权限改为例如 gpu-8p100-tc。整套提交还需修改 submit.py 中的partition。bash prepare.sh 和 bash run.sh 条件名 是已有任务资源内的入口，不在登录或管理节点直接运行。prepare.sh 只在新目录建立 common/cu、common/ar，已有common/work/jobs保留；重跑整套请重新解压。单进程启动，不使用mpirun。

固定环境：GPUMD5.9.1、GCC13.3、CUDA12.9，模块 gpumd/5.9.1-p100；该构建含PLUMED2.10.1和NetCDF-C4.10.1，本批没有施加偏置。分析使用ASE3.29.0环境中的NumPy/Matplotlib。20ps结果用于操作与数值关系参考，正式材料研究仍需检查准备时长、模型、尺寸、时间步和采样；不据此给出收敛热力学量、相界或性能排名。