Application de Monte Carlo irréversible dans les systèmes réalistes à interaction de longue portée

Application of irreversible Monte Carlo in realistic long-range systems

• Auteur / Autrice : Liang Qin
• Direction : Werner Krauth
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Systèmes classiques ou quantiques en interaction (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Silke Biermann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Werner Krauth, Silke Biermann, Benedict Leimkuhler, Ralf Everaers, Kurt Kremer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benedict Leimkuhler, Ralf Everaers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Méthode de Monte Carlo

Chaînes de Markov irréversibles

Interaction coulombienne

Système à longue portée

Simulation moléculaire

Monte Carlo method

Irreversible Markov chains

Coulomb interaction

Long-Range system

Molecular simulation

Résumé

Cette thèse étudie le comportement de la chaîne d'événements de Monte Carlo (ECMC) dans les systèmes de particules à interaction de longue portée. Les deux premiers chapitres présentent les méthodes actuelles de simulation moléculaire, en soulignant leurs difficultés à traiter l'interaction de Coulomb, et donnent les bases de l'ECMC. Le troisième chapitre présente notre cadre d'échantillonnage du système de Coulomb à l'aide de l'ECMC. Dans le cadre de la convention ''tin-foil'', la formulation constituée d’interaction à deux corps pour l'électrostatique peut être appliquée directement à la méthode ''cell-veto''. En ajoutant à cela, la factorisation dipolaire obtient un algorithme en O(NlogN)-par-balayage pour les systèmes dipolaires. Les chapitres quatre et cinq décrivent notre développement d'une application scientifique appelée JeLLyFysh pour la simulation moléculaire par ECMC. La conception de son médiateur et le traitement de toutes les opérations en flux continu sont les mieux adaptés aux extensions futures. Le chapitre six décrit les performances de l'ECMC pour les grands systèmes d'eau à l’aide de JeLLyFysh. La dynamique qui en résulte implique qu'un schéma plus sophistiqué est nécessaire pour équilibrer la polarisation. Enfin, au chapitre sept, on teste la stratégie d'échantillonnage avec changement de direction séquentiel. L'évolution du dipôle présente une dynamique particulière, et l'ensemble des choix de direction ainsi que l'ordre de sélection s'avèrent tous deux cruciaux pour atteindre la distribution stationnaire de l'orientation du dipôle.

This thesis studies the behavior of event-chain Monte Carlo (ECMC) in long-range particle systems. In the first two chapters, we introduce established methods for molecular simulation, highlighting their difficulties in dealing with Coulomb interaction, and gives the basic of ECMC. The third chapter presents our framework of Coulomb system sampling using ECMC. Under the tin-foil convention, the formulation consisting of pairwise terms for electrostatics can be directly applied to the cell-veto method. Together with dipole factorization, we obtain an O(NlogN)-per-sweep algorithm for dipole systems. Chapters four and five describe our development of a scientific application called JeLLyFysh for molecular simulation through ECMC. Its mediator design and stream processing of all operations can best accommodate future extensions. Using JeLLyFysh, we profile the performance of ECMC for large water systems in chapter six. The resulting dynamics imply that a more sophisticated scheme is needed to equilibrate the polarization. Finally, in chapter seven, we test the sampling strategy with sequential direction change. The dipole evolution exhibits distinct dynamics, and the set of direction choices and the order to select prove both crucial in mixing the dipole's orientation.