把量子计算化学、高分子化学
与统计物理装进同一个引擎

QuantumForge 是一个纯 Python + NumPy 实现、透明可读的教学级计算科学平台。 统一的数据模型、统一的「计算模块注册表」,让任何新算法都能用一行 @register 接入, 并自动获得命令行、演示流水线与文档。

67
测试断言全绿
8
大计算域流水线
0
SciPy 外部依赖
1
行接入新算法
Core Capabilities

一个平台,覆盖从电子结构到材料相图

所有引擎共享同一个 Molecule 对象模型,并通过注册表统一编排——你写的算法, 自动获得 CLI、演示与文档。

⚛️

量子计算化学

Hückel π-MO、扩展 Hückel、STO-3G RHF Hartree–Fock,以及一维势阱 / 势垒 / 环等可解析验证的量子模型。

HF: He = −2.8078 Ha ✓
🧬

高分子化学

Flory–Huggins 相图与旋节线、分子量分布与多分散度、Fox / Gordon–Taylor 玻璃化转变、Markov 链与 Monte-Carlo。

相混 / 临界 / 旋节线 ✓
🌡️

统计物理

配分函数、热力学量、一维量子阱 / 紧束缚、Kronig–Penney 能带、Ising 模型与渗流阈值。

有序 ⇄ 顺磁 ✓
💥

分子模拟

NVE / NVT / NPT 分子动力学、Velocity-Verlet 积分、Berendsen / Langevin 恒温器与压力耦合。

300 K 控温 ✓
🎯

对接与自由能

Glide 风格网格打分(氢键 / 疏水 / 排斥),BAR、MM-PBSA 与热力学积分(TI)自由能方法。

dG 符号 / 量级 ✓
🔧

几何优化

共轭梯度 / 最速下降最小化器(带稳定性步长钳制),有限差分 Hessian 简正模式分析给出实频振动。

实频振动模式 ✓
Three Domains

三大计算域,统一对象模型

分子数据模型是总线;CIF 读写直接喂给固体物理,力场与拓扑喂给 MD 与优化。

量子计算化学

−2.8078He 总能量 (Ha)
−1.1167H₂ 总能量 (Ha)
2.0苯 HOMO–LUMO 间隙 (β)
  • Hückel 共轭 π-MO:HOMO / LUMO / 离域能
  • 扩展 Hückel(Wolfsberg–Helmholtz)价轨道能谱
  • STO-3G RHF Hartree–Fock(SCF 自洽场)
  • 一维势阱 / 势垒 / 环 / 紧束缚
# 苯的 Hückel π-MO benzene = Molecule.from_template("benzene") r = Huckel().solve(benzene) HOMO = -1.000 # β 单位 LUMO = 1.000 gap = 2.000 E_delocal = -2.000 # 共振能

高分子化学

1.111PDI (Mn=3000)
299.4Fox Tg (K)
0.62临界 χ (r=100)
  • Flory–Huggins 混合自由能与相混判据
  • 临界点 χ_c、旋节线分解
  • 数均 / 重均分子量、多分散度
  • Carothers 方程、Fox / Gordon–Taylor Tg
  • Markov 共聚物序列、聚合动力学 MC
# Flory–Huggins 相行为 fh = FloryHuggins(phi_A=0.3, r=100, chi=0.4) miscible = True dGmix/kT = -0.169 spinodal = nan # 互溶体系无旋节线 # 提高 χ 越过临界值 → 相分离 fh2 = FloryHuggins(phi_A=0.3, r=100, chi=2.0) spinodal@phi = 0.0034

统计物理

2.27Ising T_c (2D)
0.59渗流阈值 (2D)
0.40Carnot (500→300K)
  • 配分函数、内能与熵、热容
  • 理想 / 范德华气体压强、Carnot 效率
  • Kronig–Penney 周期势能与带结构
  • Ising 铁磁相变(Metropolis MC)
  • 站点渗流阈值
# Ising 模型:低温有序 / 高温顺磁 im = IsingModel(L=24, seed=1) im.equilibrate(0.5, sweeps=400) M, E = im.simulate(0.5, sweeps=400) E = -1.75 # 接近基态 -2 # 高温:磁化趋零 im.equilibrate(5.0, sweeps=200) M, E = im.simulate(5.0, sweeps=200) |M| = 0.08 # 顺磁
Live Demo

一条命令,跑通全流水线

python run_demo.py 顺序执行 8 大模块,输出与文献一致。

$ python run_demo.py ================================================================ QuantumForge — 量子计算化学与高分子物理统一计算平台 ================================================================ 2. QUANTUM COMPUTATIONAL CHEMISTRY Hückel benzene : n_e=6 HOMO=-1.000 LUMO=1.000 gap=2.000 Hartree–Fock He : E=-2.8078 Ha (lit STO-3G -2.8077) ✓ Hartree–Fock H2 : E=-1.1167 Ha (lit ~-1.1173) ✓ 3. MOLECULAR DYNAMICS (NVT) water MD 150 steps @300K : T_end=233.5 K 5. FREE-ENERGY METHODS (BAR) BAR dG = 1.996 ± 0.035 kT 6. POLYMER CHEMISTRY Fox Tg of 50/50 blend = 299.4 K 7. PHYSICS Kronig–Penney (0.62eV barriers) : 1 allowed bands Ising L=24 T=2.0 : <M>=0.676 <E>=-1.607 8. EXTENSIBLE COMPUTE-MODULE REGISTRY [quantum] huckel / extended-huckel / hartree-fock [polymer] flory-huggins [physics] ising / kronig-penney [structure] docking All domains executed successfully.
Extensibility

加一个算法 = 写一个函数 + 一行 @register

注册表是唯一的「总线」。新模块自动出现在 qf registry、演示流水线与文档中—— 扩展是「加法」,不是「改动」。

01

写算法

在任意模块里实现你的计算函数,输入/输出用 Molecule 或基本类型。

02

一行注册

@registry.register(domain, name, ...) 声明领域、命令名与签名。

03

免费接入

立即获得 CLI 子命令、演示纳入、文档生成,无需改任何调用方。

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量子化学可拓展

扩展基组 HF、AM1/PM6 半经验、DFT(LDA/GGA)、MP2/CCSD 后 HF 关联、 TD-DFT 激发态、QM/MM 杂化、实时 TDSE 电子动力学。

从定性 MO → 定量电子结构
🧪

高分子可拓展

自洽场 SCF 嵌段共聚物相图、Kremer–Grest 粗粒化 MD、蛇行/管模型流变、 聚合动力学 KMC、玻璃化自由体积、结晶与球晶。

从相图 → 结构与流变
⚙️

物理可拓展

2D 紧束缚能带(石墨烯)、Landauer 量子输运、强关联精确对角化 / DMRG、 DMFT、路径积分 MC、相变谱系(Potts/XY/Heisenberg)。

从相变 → 能带与关联

把下一个算法,写进 QuantumForge

透明、可读、纯 NumPy、零编译——无论是教学演示还是新方法的快速原型, QuantumForge 都让「加一种计算」变成一件轻松的事。

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