オクトパス（ソフトウェア）

Octopusは、 Kohn – Sham密度汎関数理論（DFT）および時間依存密度汎関数理論（TDDFT）計算を実行するためのオープンソースソフトウェアパッケージです。 ^{[ 1 ]}

Octopusは擬ポテンシャルと実空間数値グリッドを用いて、時間変動する電磁場の影響下でKohn – Sham軌道をリアルタイムで伝播させます。1次元、2次元、3次元システムのシミュレーションに特化した機能が用意されています。Octopusは、静的および動的分極率と第一超分極率、静的磁化率、吸収スペクトルを計算し、Ehrenfest法とCar–Parrinello法を用いた分子動力学シミュレーションを実行できます。

このコードは主にFortranで記述されており、GPLライセンスの下で公開されています。CPU上ではOpenMPIとMPI 、 GPU上ではCUDAとROCm（HIP経由）を用いた多段階並列処理をサポートしています。

最新バージョン16.3は2025年10月21日にリリースされました。^{[ 2 ]}バージョン16以降、OctopusはGPU並列化の強化とハイブリッド関数のサポートを導入しました。

• 分子またはクラスターの線形光学応答（すなわち電子応答）、および二次非線形応答。
• イオンと電子の両方の自由度を考慮した、古典的な高強度電磁場に対する非線形応答。
• 量子ドットなどの低次元系における基底状態および励起状態の電子特性。
• 分子の光誘起反応（例：光解離、光異性化など）。
• 現在進行中の開発には、これらの手順を1次元または複数次元で無限かつ周期的なシステム（ポリマー、スラブ、ナノチューブ、固体）や電子輸送に拡張することが含まれる。

• 基礎となる理論はDFTとTDDFTです。また、このコードは原子核に対して古典的な（すなわち点粒子）近似を用いて動力学計算を実行する場合があります。システムはエーレンフェスト経路に従って進化するため、これらの動力学計算は非断熱的になる可能性があります。ただし、これは平均場近似に基づいています。
• TDDFTに関しては、3つの異なるアプローチが考えられます。
  • Casidaによる標準的なTDDFTベースの線形応答理論は、基底状態から励起状態への遷移における励起エネルギーと振動子強度を提供する。
  • TDDFT方程式の明示的な時間発展は、摂動理論の有効範囲をはるかに超える大きな外部ポテンシャルの使用を可能にします。
  • 占有状態のみを用いた周波数領域におけるシュテルンハイマー方程式（密度汎関数摂動理論）。

• 数値表現においては、このコードは基底関数を用いず、数値メッシュに基づいて動作します。ただし、必要に応じて補助基底関数（平面波、原子軌道）が使用されます。このコードは現在、問題の不均一性に適応する非均一グリッドの使用や、計算を高速化するためのマルチグリッド技術の利用を可能にしています。
• ほとんどの計算では、このコードは2種類の擬ポテンシャル^{[ 3 ]}の使用に依存しています。Troullier-Martins ^{[ 4 ]}とHartwigsen-Goedecker-Hutter ^{[ 5 ]です。}
• 標準的な3次元システムを扱うことができるだけでなく、2次元モードと1次元モードも利用可能です。これらは、例えば、幅広い種類の量子ドットを特徴づける2次元電子ガスを研究する際に役立ちます。

• このコードは並列処理のスケーラビリティを重視して設計されています。そのため、複数のタスク分割が可能であり、メッシュ分割ソフトウェア、MPI、およびOpenMPを活用しています。
• コードの大部分はFortran 2008で記述されていますが、 C言語などの他の言語も使用されています。
• このパッケージはGNU一般公衆利用許諾契約書（GPL）に基づいてライセンスされています。そのため、 Octopusのgitリポジトリから誰でも利用、閲覧、改変することができます。

• 量子化学コンピュータプログラム

• 公式サイト