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cuFFS：一种用于快速法拉第旋转量合成的GPU加速代码
摘要： 旋转量（RM）合成是一种广泛应用的偏振处理算法，用于重建视线方向上的偏振结构。对LOFAR等望远镜产生的大型数据集进行RM合成计算量巨大，因为其计算成本与输入频率通道数、待评估的法拉第深度值数量以及数据立方体中视线的数量的乘积成正比。随着低频阵列（LOFAR）、默奇森宽场阵列（MWA）乃至平方公里阵列（SKA）等望远镜计划开展大范围天空巡天，所需的计算成本可能进一步增加。大规模并行通用图形处理单元（GPGPU）可用于执行包括RM合成在内的部分计算密集型天文图像处理算法。本文提出名为cuFFS（CUDA加速快速法拉第合成）的GPU加速代码来实现法拉第旋转量合成。相比快速单线程向量化CPU实现方案，根据数据立方体的结构和格式不同，我们的代码可实现高达两个数量级的速度提升。测试中发现使用灵活图像传输系统（FITS）数据格式时的磁盘I/O是主要瓶颈，为减少磁盘I/O耗时，除标准FITS格式外，本代码还支持更快的HDFITS格式。该代码采用C语言编写，通过NVIDIA的CUDA并行计算平台实现GPU加速，代码地址：https://github.com/sarrvesh/cuFFS。
关键词： 计算方法：图形处理器 技术：图像处理 技术：偏振测量 通用图形处理器（GPGPU） 方法：数据分析
更新于2025-09-23 15:22:29
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一种仿生计算方法优化光伏器件的量子效率
摘要： 最先进的低成本有机光伏电池量子效率约为10%，这与量子效率接近1的植物/细菌光捕获系统形成鲜明对比。其中特别值得关注的是高效量子相干能量转移机制。鉴于电荷残基和局部介电环境能促进量子相干性，经典原子尺度模拟与含时密度泛函理论（TD-DFT）可用于识别精确界定的能量转移界面处的电荷/介电分布模式及电子耦合效应——这些界面结构信息源自光合蛋白-色素复合体的研究数据。 本项目聚焦线性电子传递磷酸化链中的首个蛋白-色素-氧化还原载体复合体——光系统II[PSII]。该复合体除数百个色素分子外还包含10余种主要多肽，分子量超过100万道尔顿。鉴于PSII结构复杂且脆弱，本项目基于原位电镜数据构建其整体架构，这些数据提供了完整未受扰动PSII复合体的结构线索。虽然与X射线晶体学和核磁共振波谱相比分辨率有限，但电子断层扫描结果与投影图谱能精确描绘天然复合体结构，便于将PSII亚复合体的高分辨率X射线数据拟合为完整复合体的原子级模型。该模型必须包含光捕获天线系统——即光捕获叶绿素（Chl）a/b蛋白复合体[LHCII]。对于LHCII，需考虑其既与PSII相邻定位，又存在于独立互补膜结构中的两种布局方式，从而分别测试水平（膜内）与垂直（膜间）能量转移。生化证据和断层扫描数据强有力地支持LHCII存在于区别于PSII的膜结构中，且已有研究注意到LHCII的组织结构可能随环境条件改变。
关键词： 光系统II、仿生学、计算方法、量子效率、捕光叶绿素、光伏技术
更新于2025-09-23 15:19:57
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利用Tran-Blaha修正的Becke-Johnson势高效精确计算卤化物钙钛矿的带隙
摘要： 我们报道了针对三维（3D）及层状杂化有机-无机钙钛矿（HOPs）带隙预测的Tran-Blaha修正Becke-Johnson（TB-mBJ）势能函数的重新优化研究，该研究基于赝势密度泛函理论方法开展。这些材料在未来的光伏和光电子应用领域具有重要前景。我们首先通过大量材料体系的参数优化，确定了一组适用于3D HOPs的参数集；随后研究了层状HOPs的情况。我们设计了一个经验关系式，能以远低于杂化泛函或GW等先进方法的计算成本，实现对任意层间分子间隔层的层状HOPs带隙预测。研究还表明，用Cs原子替代层状HOPs的层间分子链是进行带隙计算的一种经济高效的可行方案。最后，我们讨论了TB-mBJ方法在HOPs应用中的缺陷与局限——特别是其因能带色散变窄而导致有效质量高估的倾向。预期本研究成果可拓展TB-mBJ方法在其他低维材料中的应用。
关键词： Tran-Blaha修正的Becke-Johnson势，卤化物钙钛矿，计算方法，带隙，密度泛函理论，杂化有机-无机钙钛矿，赝势
更新于2025-09-23 03:40:48
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可见光控制的水相手性亚砜氧化反应-分离过程：光响应性金属胶束体系
摘要： 阿尔茨海默病（AD）是21世纪全球重大健康挑战之一。早老素1（PSEN1）的200多种不同突变会导致严重的早发型家族性AD（FAD），因此成为研究AD病因的核心焦点。PSEN1是产生β-淀粉样肽（Aβ）的γ-分泌酶催化亚基，这些突变往往会使生成的Aβ42/Aβ40比例升高。这些突变致病机制的分子原理尚不明确。我们采用21种不同计算方法（假设能重现致病过程）研究了近乎完整的PSEN1突变数据集，同时使用基于序列和结构的方法，并以完整γ-分泌酶复合物作为输入。首先，我们测试了能否将PSEN1所有可能突变作为直接对照来准确评估致病性。多种方法能较好预测突变致病性（致病突变vs其他所有可能突变），准确率接近90%。随后我们设计了更严格的测试——通过突变携带者症状出现的平均临床年龄来评估突变严重程度。令人惊讶的是，多种方法能以95%或更高的置信度预测症状出现的临床年龄。因此结果表明，氨基酸变化的简单生化特性可解释FAD致病性PSEN1突变的重要致病机制。虽然致病突变通?；崞苹郸?分泌酶稳定性，但所有测试的蛋白质稳定性方法都未能预测致病性。这说明作为输入的静态冷冻电镜分子动力学平衡结构未能捕捉突变侧链的稳定性效应，或者蛋白质稳定性根本不是致病性的关键因素。我们的发现表明FAD的化学成因可被建模，并为开发半定量预测模型带来希望——该模型能预测突变携带者的发病年龄，最终可能具有临床治疗策略价值。
关键词： 计算方法、β-淀粉样肽、早老素1、阿尔茨海默病、γ-分泌酶、突变、致病性
更新于2025-09-11 14:15:04
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细胞内聚谷氨酰胺蛋白聚集体光漂白过程中荧光损失的间断伽辽金模型
摘要： 背景：细胞内具有扩展多聚谷氨酰胺（polyQ）链的蛋白质发生相分离与聚集，是多种年龄相关神经退行性疾病的标志性特征。要深入理解这些过程，关键在于对适当标记蛋白进行定量荧光成像。光漂白后荧光损失（FLIP）技术特别适用于研究亨廷顿舞蹈症等polyQ疾病细胞模型中蛋白质聚集的动态过程，因其能完整呈现细胞结构内强度变化的全时空分布特征。与其他方法相比，该技术还能在细胞区室荧光损失随时间演变过程中显现微弱聚集物。但目前针对FLIP数据的计算分析方法较少，且缺乏从实验FLIP序列估算转运与扩散参数的运输模型。 结果：本文提出一种用于分析细胞内多聚谷氨酰胺蛋白聚集物（又称包涵体IBs）FLIP成像实验的计算方法。通过该方法可测定polyQ蛋白的扩散常数、核膜转运系数以及聚集物与胞质间的交换速率。我们基于反应-扩散多区室模型构建计算体系，其网格由FLIP序列细胞图像分割获得，并采用间断伽辽金（DG）方法在FEniCS平台实现数值模拟，显著提升了计算效率。将该方法应用于代表性实验FLIP序列后，获得了所有转运参数的一致性估算值。 结论：通过新开发的计算FLIP方法直接从活细胞图像序列估算转运参数，意外揭示了突变亨廷顿蛋白在胞质与微弱包涵体间存在极快的交换动力学过程。这一发现可能同样适用于其他polyQ疾病。因此，本方法可用于量化神经退行性疾病细胞模型中蛋白质聚集过程各阶段的动态特征。
关键词： 翻转，计算方法，多室，速率系数，间断伽辽金，校准，蛋白质聚集
更新于2025-09-04 15:30:14
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[工程技术学会第十二届欧洲天线与传播会议(EuCAP 2018) - 英国伦敦(2018年4月9-13日)] 第十二届欧洲天线与传播会议(EuCAP 2018) - 一种评估大型发射阵列的快速计算算法
摘要： 透射阵列（TAs）因其低剖面和高效率已成为点对点通信的流行解决方案。然而，这些大型复杂结构的仿真需要大量内存和时间。在此，我们提出一种快速算法来评估波束控制TA的性能，以加速其设计优化过程。该算法的结果和所需资源与Ansys HFSS进行了对比。结果表明，该算法仅需1GB内存即可在几分钟内合理评估TA性能的关键因素。
关键词： 计算方法、发射阵列、阵列天线、反射阵列
更新于2025-09-04 15:30:14