Optimized ensemble Monte Carlo simulations of dense Lennard-Jones fluids
我们应用最近开发的自适应集成优化技术来模拟密集的Lennard-Jones流体和粒子溶剂模型的宽直方图蒙特卡罗技术。通过在径向坐标中对优化的直方图进行采样来改善模拟流体的平衡，所述优化的直方图将统计权重向液体的壳之间的熵屏障转移。间隙状态在这些障碍附近的识别与前所未有的准确性，在快速收敛的直方图和局部扩散率的测量尖锐的签名。高精度地计算了平均力的径向分布函数和势。
2005-08-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Probing ergodicity in granular matter
当一个颗粒系统被点击时，它的体积会发生变化。在这里，使用一个定义良好的宏观协议，我们准备了一个合奏的颗粒系统和跟踪统计的体积变化作为一个功能的水龙头的数量。这与以前的研究相反，以前的研究集中在单一的轨迹和假设遍历性。我们设计了一种新的方法来评估一系列的合奏体积直方图的收敛性能，并引入一个合理的近似版本的不变直方图。然后，我们将这些不变的直方图与通过对一个系统的长轨迹进行采样生成的直方图进行比较，并观察非遍历性，我们对其进行量化。最后，我们使用重叠直方图的方法来评估潜在的兼容性与爱德华兹的典型假设。我们的直方图与这个假设不一致。
2012-10-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Generalized-Ensemble Algorithms for Protein Folding Simulations
传统的正则系综下的复杂系统模拟存在准遍历性问题。广义系综模拟通过在势能空间和其他参数空间中进行随机游走克服了这一困难。通过单直方图和/或多直方图重新加权技术，仅从一次模拟运行，就可以获得作为温度的函数的物理量的正则系综平均值。在这篇文章中，我们回顾了广义集成算法。三个著名的方法，即多规范算法，模拟回火，复制交换方法，首先进行了描述。Monte Carlo和分子动力学版本的算法。然后，我们提出了上述三种方法的进一步扩展。
2007-07-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Transition matrix Monte Carlo and flat-histogram algorithm
在任何实现微正则性质的有效蒙特卡罗采样中，我们可以收集能量转移矩阵的统计信息。这个矩阵用于确定态密度，从态密度可以计算大多数的平均值，包括自由能和熵。我们讨论了单自旋翻转算法，如平坦直方图和等命中算法，可用于模拟。平坦直方图算法实现了多尺度集成。我们证明了使用的方法与应用程序的伊辛模型，并显示其效率的搜索自旋玻璃基态。
2003-06-17 cond-mat.stat-mech
Generalized-Ensemble Algorithms: Enhanced Sampling Techniques for Monte Carlo and Molecular Dynamics Simulations
在自旋玻璃、生物分子等多自由度的复杂系统中，常规的正则系综模拟存在准遍历性问题。广义系综模拟在势能空间中进行随机游走，克服了这一困难。通过单直方图和/或多直方图重新加权技术，仅从一次模拟运行，就可以获得作为温度的函数的物理量的正则系综平均值。在这篇文章中，我们回顾了广义集成算法。三个著名的方法，即多规范算法，模拟回火，复制交换方法，首先进行了描述。Monte Carlo和分子动力学版本的算法。然后，我们提出了五个新的广义集成算法，这是上述方法的扩展。
2003-08-18 cond-mat.stat-mech q-bio.QM
Projected single-spin flip dynamics in the Ising Model
我们研究了能量-磁化空间、磁化空间和能量空间中投影动力学的转移矩阵。几个单自旋翻转动力学被认为是如Glauber和Metropolis正则系综动力学和Metropolis动力学的三个多正则系综：平坦的能量-磁化强度直方图，平坦的能量直方图和平坦的磁化强度直方图。从矩阵的数值对角化的投影动力学，我们得到的次主导的特征值和最大的松弛时间的系统的大小不同。虽然，投影动力学是一个近似的完整的状态空间动力学比较与一些可用的结果，由其他作者，表明在磁化空间中的投影是一个相当准确的方法来研究系统大小的弛豫时间的标度。任意单自旋翻转动力学的转移矩阵是从无限温度转移矩阵的单个Monte-Carlo估计获得的，对于每个系统尺寸，这使得该方法成为评估任意局部自旋翻转动力学的相对性能的有效工具。我们还提出了新的结果适当定义的平均隧穿时间的磁化和计算其有限尺寸标度指数，我们比较的能量隧穿指数的结果，可用于平坦的能量直方图multicanonical合奏。
2007-01-17 cond-mat.stat-mech
Generalized-Ensemble Algorithms for Molecular Simulations of Biopolymers
在多肽、蛋白质等多自由度的复杂系统中，存在大量的局域最小能态。在正则系综中的常规模拟几乎没有用处，因为它们往往会被困在这些能量局部最小值的状态中。广义系综模拟在势能空间中进行随机游走，可以克服这一困难。通过单直方图和/或多直方图重新加权技术，仅从一次模拟运行，就可以获得作为温度的函数的物理量的正则系综平均值。在这篇文章中，我们审查使用的广义集成算法。三个著名的方法，多规范算法，模拟回火，复制交换方法，首先进行了描述。Monte Carlo和分子动力学版本的算法。然后，我们提出了三个新的广义集成算法，结合上述方法的优点。用短肽系统对该方法在蛋白质折叠问题中的分子模拟的有效性进行了测试。
2000-12-01 cond-mat.stat-mech q-bio
Enhanced Sampling Algorithms
在具有多自由度的生物分子系统（特别是全原子模型）中，如蛋白质和核酸，存在大量的局域最低能态。在正则系综中的常规模拟几乎没有用处，因为它们往往会被困在这些能量局部最小值的状态中。因此，对增强型构象取样技术的需求很大。广义系综模拟在势能空间中进行随机游走，可以克服这一困难。通过单直方图和/或多直方图重新加权技术，仅从一次模拟运行，就可以获得作为温度的函数的物理量的正则系综平均值。本文综述了广义系综算法在生物分子系统中的应用。三个著名的方法，即多规范算法，模拟回火，复制交换方法，首先进行了描述。Monte Carlo和分子动力学版本的算法。然后，我们提出了这三个广义集成算法的各种扩展。短肽和蛋白质系统的方法的有效性进行了测试。
2010-12-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Broad Histogram: An Overview
宽直方图是允许直接计算能量简并度$g(E)$的方法。这个量与热力学概念如热平衡无关。它只依赖于允许态沿能量轴的分布，而不依赖于系统与环境之间的能量变化。一旦获得了$g(E)$，就不需要进一步的努力来考虑相同系统的不同环境条件，例如不同温度。该方法是基于$g(E)$和某些宏观量$N^{\rm up}$和$N^{\rm dn}$的微正则平均之间的精确关系。对于特定问题的应用，需要选择适当的仪器以确定平均值$<N^{\rm up}(E)>$和$<N^{\rm dn}(E)>$，作为能量的函数。用固定能量的微正则系综取代通常的固定温度正则系综，新的微妙概念出现了。例如，温度不再是由用户控制的外部参数，所有规范平均值都是该参数的函数。相反，微正则温度$T_{m}(E)$是由$g(E)$本身定义的能量的函数，因此是系统的{ \bf内部}（环境无关）特性。因此，所有微正则平均值都是$E$的函数。本文是该方法的概述。微正则系综的一些功能也进行了讨论，以及对有效的Monte Carlo微正则采样规则的定义的一些线索。
2000-03-17 cond-mat.stat-mech
Mean Force Based Temperature Accelerated Sliced Sampling: Efficient Reconstruction of High Dimensional Free Energy Landscapes
温度加速切片采样（TASS）是计算高维自由能景观的一种有效方法。原始的TASS方法采用加权直方图分析方法（WHAM），这是一种迭代后处理，以重新加权和缝合在限制偏差的存在下获得的切片窗口中的高维概率分布。WHAM需要TASS窗口彼此靠近，以便适当重叠分布，并跨越感兴趣的集体变量空间。另一方面，增加TASS窗口的数量意味着更多的模拟次数，从而影响该方法的效率。为了克服这个问题，我们在这里提出了一个新的平均力（MF）为基础的重新加权方案称为TASS-MF，它使准确的计算与较少的窗口数量缺乏WHAM后处理。该技术的应用证明了丙氨酸二肽和三肽在真空中计算其二维和四维自由能景观，后者是强大的传统的伞形采样和metadaptics。景观计算在千卡/摩尔的精度，确保计算化学的广泛应用的安全使用。
2021-06-07 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Temperature and density extrapolations in canonical ensemble Monte Carlo simulations
我们展示了如何使用多重直方图的方法来结合正则系综蒙特卡罗模拟在不同的温度和密度。该方法可用于研究具有任意相互作用势的粒子系统，并可计算在一定温度和密度范围内的热力学性质。通过计算相对于某些热力学参考态的亥姆霍兹自由能，我们可以研究相共存性质。我们测试的Lennard-Jones流体的许多结果是可用的方法。
1999-06-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
GPU accelerated population annealing algorithm
布居退火是统计物理学中蒙特卡罗模拟的一种新方法，特别适用于模拟具有复杂自由能景观的系统。它是一种混合方法，通过马尔可夫链的重要性抽样与人口控制形式的序贯蒙特卡罗元素相结合。虽然它似乎提供了类似于并行回火等更成熟方法的算法能力，但它本质上更适合于大规模并行计算。在这里，我们利用这种结构优势，并提出了一个高度优化的实现的人口退火算法的GPU，承诺的速度提高了几个数量级相比，在CPU上的串行实现。虽然示例代码用于模拟2D铁磁伊辛模型，但它应该很容易适用于模拟其他自旋模型，包括无序系统。我们的代码包括一些最近才提出的高级算法功能的实现，即温度步长的自动适应和不同温度下数据的多直方图分析。
2017-09-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Accelerated estimation of long-timescale kinetics by combining weighted ensemble simulation with Markov model "microstates" using non-Markovian theory
加权系综（WE）模拟策略提供了无偏采样的非平衡过程，如分子折叠或绑定，但提取的速率常数依赖于表征稳态行为。不幸的是，足够复杂的复杂系统的WE模拟将不会放松到稳定状态的观测模拟时间。在这里，我们表明，一个后模拟聚类的分子配置到“microbins”使用马尔可夫状态模型（MSM）社区开发的方法，可以产生无偏动力学从WE数据之前，稳态收敛的WE模拟本身。由于WE轨迹是定向的，而不是均衡分布的，因此可以使用历史增强MSM（haMSM）公式，该公式对于任意小的滞后时间产生无偏差的平均首次通过时间（MFPT）。精确的动力学可以得到，而绕过往往禁止收敛要求的非平衡加权合奏。我们验证了一个简单的扩散过程中的二维随机能量景观的方法，然后分析原子蛋白质折叠模拟使用我们分子动力学。我们报告了无偏估计蛋白质折叠时间和途径的重大进展，但仍然存在关键挑战。
2020-10-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Ensemble Optimization Techniques for the Simulation of Slowly Equilibrating Systems
在复杂的多粒子系统中，竞争相或相互作用可能导致强烈抑制热平衡的自由能垒。在这里，我们讨论如何扩展的系综蒙特卡罗模拟可以用来研究这种系统的平衡行为。特别关注的是最近开发的自适应蒙特卡罗技术，能够探索和克服的熵障碍，导致慢下来。我们讨论这种技术的背景下，宽直方图蒙特卡罗算法以及其应用程序的复制交换方法，如并行回火。我们简要地讨论了一些例子，包括竞争相互作用和致密液体的磁性系统的低温状态。
2006-05-31 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Multicanonical Parallel Tempering
我们提出了一种新的实现并行回火蒙特卡罗方法在一个多正则系综。多规范的权重来自一个自洽的迭代过程，使用玻尔兹曼反演的全球能量直方图。这个过程产生了一个更广泛的重叠的性能直方图，更少的副本是必要的并行回火模拟，并接受试验交换移动可以任意高。我们证明了该方法的实用性的上下文中的一个大的multicanonical合奏，在那里我们使用multicanonical模拟在能量空间中添加了未修改的化学势项在粒子数空间。几种可能的实现进行了讨论，并提出了最佳的选择的上下文中的液体-气体相变的Lennard-Jones流体。通过所提出的方法，可以实现所需的副本数量的大幅减少，从而提供了更高的效率和并行化的可能性。
2002-01-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Microcanonical Approach to the Simulation of First-Order Phase Transitions
微正则系综的推广提出了一个简单的策略，一阶相变的模拟。与平坦直方图方法不同，没有迭代参数优化，也没有长时间等待有序相和无序相之间的隧穿。我们在标准基准测试中测试该方法：Q-states Potts模型（二维Q=10，三维Q=4），在那里我们开发了一个聚类算法。我们为具有超过一百万次旋转的系统获得了准确的结果，优于处理多达数万次旋转的平坦直方图方法。
2006-11-21 cond-mat.stat-mech hep-lat
Non-Boltzmann Ensembles and Monte Carlo Simulation
基于Metropolis算法的Boltzmann采样已被广泛应用于正则系综的模拟。对平衡系统的力学性质（如能量）的估计可以通过对玻尔兹曼蒙特卡罗方法产生的大量微观状态进行平均来进行。然而，像熵这样的热性质不容易用这些方法获得。原因很简单。我们可以给每个微观状态分配一个能量的数值。但是我们不能给微观状态分配一个熵的数值。熵不是与任何一个微观状态相关联的属性，它是所有微观状态的集合属性。为了计算熵和其他热性质，在上个世纪70年代中期提出了一种称为伞采样的非玻尔兹曼蒙特卡罗技术。伞形抽样已经经历了几次变形，我们现在有，多正则蒙特卡罗，熵抽样，平坦直方图方法，王-朗道算法{ \it等}。这类方法产生非物理的非玻尔兹曼系综。然而，物理量可以通过对熵系综的微观态进行去加权，然后重新加权到所需的物理系综来计算。在这次演讲中，我将告诉你一些非玻尔兹曼蒙特卡罗方法，重点是最近的发展。
2017-09-27 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Minimal energy ensemble Monte Carlo for the partition function of fermions coupled to classical fields
耦合到辅助经典自由度的非相互作用费米子模型与理解许多体物理学中的各种问题有关，{ \it e.g.}锰氧化物、稀磁半导体或晶格上强相互作用电子的描述。在经典场上进行蒙特卡罗采样是一种强大的，但众所周知具有挑战性的方法，它需要解决每个经典场配置的费米子问题。传统的蒙特卡罗方法最低限度地利用这些解决方案的信息内容，通过提取单一的温度属性。我们提出了一个平面直方图蒙特卡罗算法，模拟一种新的统计系综，它允许获得完整的热力学信息，{ \it即}。在所有温度下的配分函数，采样经典配置。
2015-08-06 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el
Statistically optimal continuous free energy surfaces from biased simulations and multistate reweighting
自由能作为一组选定的集体变量的函数通常在分子模拟中计算，并且在理解和工程分子行为中具有重要价值。这些自由能表面最常见的估计使用直方图技术的变体，但这种方法掩盖了这些功能的两个重要方面。首先，沿着集体变量的经验观测由离散观测的集合定义，并且将这些观测粗化为直方图箱会导致不必要的信息丢失。其次，自由能表面本身几乎总是一个连续函数，并且由于离散化，其直方图表示引入了固有的近似。在这项研究中，我们与观察到的离散观测有偏模拟推断的基础连续概率分布的集体变量，并推导出无直方图的技术来估计这个自由能表面。我们重新制定的自由能表面估计连续的试验函数和离散的经验分布之间的Kullback-Leibler分歧最小化，并表明这是等效于一组采样数据的试验函数的似然最大化。然后，我们提出了一个完整的贝叶斯处理这种形式主义，这使得强大的贝叶斯工具，如纳入正规化先验，不确定性量化，模型选择技术。我们证明了这种新的形式主义在分析伞采样模拟的$χ$扭转的缬氨酸侧链在L99 A突变体的T4溶菌酶与苯结合在腔。
2020-05-30 cond-mat.stat-mech
The central role of entropy in adiabatic ensembles and its application to phase transitions in the grand-isobaric adiabatic ensemble
熵已经成为描述、理解甚至指导组装、自组织和相变过程的核心。在这项工作中，我们建立在类似的作用，配分函数（或自由能）在等温系综和熵在绝热系综。特别是，我们表明，大等压绝热$(μ,P,R)$合奏，或射线合奏，提供了一个直接的路线来确定熵。这使我们能够跟踪熵随热力学条件的变化，从而探索相变。我们测试这种方法进行蒙特卡罗模拟氩和铜在体相和相边界，并评估该方法的可靠性和准确性，通过比较从平面直方图模拟等温合奏的结果和实验数据。该方法的优点是多方面的，包括直接确定的$μ-P$关系，没有任何评估的压力通过维里表达式，精确控制系统的大小和原子的数量通过输入值的$R$，和简单的计算焓差的等熵过程，这是关键量，以确定热力学循环的效率。这些模拟带来的一个新的见解是两个系统沿过渡所表现出的高度对称的模式，如标度温度熵和压力熵图所示。
2020-07-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Enhanced Sampling in the Well-Tempered Ensemble
我们引入了以能量为集体变量时，由良调元自适应采样的有偏系综--良调系综。WTE可以被设计为具有与正则系综近似相同的平均能量，但波动要大得多。这两个属性导致了相空间的极快探索。当WTE与平行回火相结合时，可获得更高的效率。无偏玻尔兹曼平均值是用最近发展起来的重新加权方法在飞行中计算的[M. Bonomi等人，J. Comput. 30，1615（2009）]。我们应用WTE和它的平行回火变体的2D伊辛模型和去模型的HIV蛋白酶，表明在这两个代表性的情况下，收敛速度加快的数量级。
2010-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Grand canonical ensemble simulation studies of polydisperse fluids
我们描述了一个Monte Carlo方案，用于模拟巨正则系综内的多分散流体。给定一些多分散属性$σ$，系统的状态由密度分布$ρ(σ)$描述，其形式由施加的化学势分布$μ(σ)$控制。我们详细介绍了如何直方图外推技术可以用来调整$μ(σ)$，如遍历空间中的$ρ(σ)$的一些特定的所需的路径。该方法适用于模拟的尺寸分散的硬球密度分布根据舒尔茨和对数正态形式。在每种情况下，状态方程都是沿着稀释线获得的，即沿着$ρ(σ)$的尺度改变但形状不变的路径。将结果与Boublik等人（J. Chem. Phys. { \bf 54}，1523（1971））和Salacuse和Stell（J. Chem. Phys. { \bf 77}，3714（1982））的基于矩的表达式进行比较。结果发现，对于高程度的多分散性，这两个表达式不能给出一个定量准确的描述时，总体积分数是大的状态方程。
2001-11-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Feedback-optimized parallel tempering Monte Carlo
我们介绍了一种算法，系统地提高并行回火蒙特卡罗模拟的效率，通过优化模拟的温度设置。我们的方法是密切相关的，最近推出的自适应算法，优化广义宽直方图蒙特卡罗模拟的模拟统计合奏。通常，温度设置以这样的方式选择，使得相邻温度之间的副本交换的接受率与温度无关并且足够大以确保频繁交换。在本文中，我们表明，通过选择的温度与一个修改版本的优化集成反馈方法，我们可以最大限度地减少最低和最高温度之间的往返时间，有效地提高了并行回火算法的效率。特别地，优化的温度设置中的温度密度在模拟的“校验”处增加，例如相变。反过来，在优化的温度系综中，接受率现在依赖于温度。我们通过研究二维伊辛铁磁体和二维全阻挫伊辛模型说明了反馈优化的并行回火算法，并简要讨论了可能的反馈方案，需要配置的平均系统，如自旋玻璃。
2006-03-30 cond-mat.other cond-mat.stat-mech
Expanded ensemble method for bubble nucleation
针对一级相变中临界气泡成核概率极低且现有采样方法受凝聚势垒限制的问题，提出扩展系综采样方法，以规避势垒并实现大体积高效模拟。
2025-02-20 cond-mat.stat-mech hep-lat
Extension of Kirkwood-Buff Theory to the Canonical Ensemble
众所周知，Kirkwood-Buff（KB）积分很难从正则模拟中收敛，因为它们需要估计巨正则径向分布。当试图通过反转成对的关联函数来估计Ornstein-Zernike理论的直接关联函数时，也会遇到同样的基本困难。我们提出了一个新的理论，适用于整个，有限的，模拟量，所以没有截止问题出现在所有。该理论给出了封闭系统的直接关联函数，而直接关联函数在倒易空间中的光滑性允许通过适定性外推到原点来计算正则KB积分。目前的分析方法代表了一个改进，因为它利用了整个模拟量和它的收敛可以加速使用已知的直接关联函数的属性。使用已知的相互作用能函数可以使这种外推在低密度情况下接近完美的精度。由于有限尺寸效应在正则系综中比在巨正则系综中更强，我们提出了化学势和KB系数的系综修正公式。新的理论说明与分析和模拟结果的一维伊辛模型和超临界Lennard-Jones流体。对于后者，有限尺寸的修正被证明是小的。
2017-12-26 cond-mat.stat-mech
