Quasi-2D Coulomb systems are of fundamental importance and have attracted much attention in many areas nowadays. Their reduced symmetry gives rise to interesting collective behaviors, but also brings great challenges for particle-based simulations. Here, we propose a novel algorithm framework to address the $\mathcal O(N^2)$ simulation complexity associated with the long-range nature of Coulomb interactions. First, we introduce an efficient Sum-of-Exponentials (SOE) approximation for the long-range kernel associated with Ewald splitting, achieving uniform convergence in terms of inter-particle distance, which reduces the complexity to $\mathcal{O}(N^{7/5})$. We then introduce a random batch sampling method in the periodic dimensions, the stochastic approximation is proven to be both unbiased and with reduced variance via a tailored importance sampling strategy, further reducing the computational cost to $\mathcal{O}(N)$. The performance of our algorithm is demonstrated via varies numerical examples. Notably, it achieves a speedup of $2\sim 3$ orders of magnitude comparing with Ewald2D method, enabling molecular dynamics (MD) simulations with up to $10^6$ particles on a single core. The present approach is therefore well-suited for large-scale particle-based simulations of Coulomb systems under confinement, making it possible to investigate the role of Coulomb interaction in many practical situations.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Directions for Explainable Knowledge-Enabled Systems
Arxiv
26+阅读 · 2020年3月17日
VIP会员
相关资讯
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员