Q-Chem
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Q-CHEM

 

Q-chem logo

 

Q-Chem是一款功能齐全的从头算量子化学程序包，最早由诺贝尔化学奖获得者John A. Pople主导开发。全面支持从DFT/HF到各种高级的post-HF相关能计算方法。并提供广泛的解决方案，适用于不同的研究目标，如单分子磁体的自旋轨道耦合效应、高通量计算、酶的量子力学/分子力学（QM/MM）研究等。被广泛用于处理工业界、学术界和国家实验室的各类理论模拟研究，在理论化学、药物设计、材料科学、生物化学以及相关领域的教学和研究中发挥了极大作用。可以包括研究分子结构、化学反应、分子振动、电子光谱、NMR谱和溶剂化效应等。

Q-Chem自1999年第一个版本1.2发布至今，已经陪伴广大科研用户26年了。自1999年以来，Q-Chem引领量子化学计算的潮流，不断突破科技边界，26年的专注研发，每年至少三次的版本迭代，Q-Chem始终站在量子化学软件的最前沿。 从1.2版本到最新的6.2，Q-Chem的每一次版本升级都是对科学的一次深刻致敬。

 Q-Chem7.0新功能

Q-Chem 7.0版本在周期性体系、生物大分子、激发态理论、电子相关方法及量子核效应等方向均有实质性扩展。

QC-PBC：周期性边界条件下的全电子计算

Q-Chem 7.0 引入QC-PBC模块，支持以Gaussian 型基组开展周期性体系的全电子计算。目前实现的方法包
基态与激发态的 DFT 及 TDDFT
MP2、LT-MP2 与 MP3，支持Γ点与 k点取样
CCSD、CCSD(T) 及 CCSDT，限于Γ点
几何结构优化、溶剂化模型、解析Hessian及声子计算
Python 接口，支持外部工作流调用
该模块的引入使 Q-Chem 从分子气相/溶液体系扩展至晶体、表面及材料体系，且保持了全电子精度。

M-Chem：生物大分子体系模拟

M-Chem 模块面向生物大分子体系，主要技术优势如下：

基于 MPI/OpenMP 混合并行的分子动力学（MD）引擎

支持固定电荷（Amber）、可极化（AMOEBA）及ReaxFF力场

Nose-Hoover 热浴与压浴、共轭梯度自洽场、扩展 Lagrangian 多体力求解方案

周期性边界条件与 Particle Mesh Ewald（PME）长程静电处理

模块化前端，用于标准力场及蛋白-水体系的参数分配与体系构建

QM/MM 与 ReaxFF 的耦合框架

兼容外部分析代码的轨迹输出格式

 

                gfp

密度泛函理论的方法学进展

COACH 泛函

COACH为新型范围分离杂化（RSH）meta-GGA 泛函。与现有 RSH meta-GGA（如ωB97M-V）相比，其在多种体系上的精度与可迁移性均有提升（Jiashu Liang, Martin Head-Gordon）。

线性标度局域相关

针对 MP2 及双杂化 DFT，Q-Chem 7.0 实现了新的线性标度局域相关算法。该算法在计算标度上可与 DLPNO 竞争，同时采用单一数值阈值控制精度，误差控制更为直接（Zhenling Wang, Yao Shen, Martin Head-Gordon）。

 

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复变量 DFT

新增复变量 DFT 泛函，用于处理电子亚稳态（如共振态、散射态）。已实现的泛函涵盖：

LDA：Slater 交换、VWN5/VWN1RPA 关联

GGA：B88、PBE 交换，PBE、LYP 关联

杂化泛函：由上述 LDA/GGA 组分与精确 HF 交换构建，包括 PBE0、B3LYP、BH&HLYP 等（Charlotte Titeca, Yifan Jiang, Thomas-C. Jagau）。

扩展紧束缚（xtb）

新增 xtb 方法的能量与梯度计算，适用于大体系快速预优化或初筛（Rebecca Tomann, Martin Head-Gordon）。

激发态与电子相关方法

MRSF-TDDFTMRSF-TDDFT 是 Spin-Flip TDDFT 的改进形式，可对双重激发态、键解离、锥形交叉及强关联体系实现有效自旋纯处理。Q-Chem 7.0 实现了该方法的完整性质计算框架，包括：

态与跃迁偶极矩

振子强度

自旋-轨道耦合

基于密度矩阵的态与跃迁分析（Arnab Chakraborty, Zheng Pei, Yihan Shao, Anna I. Krylov）。

激发态分析

基于 Earth Mover's Distance 的激发态分析工具（Zhe Wang, Martin Head-Gordon）

libwfa 中的电荷位移度量，严格满足轨道旋转不变性，区别于传统 Tozer's Lambda 及 Gaussian 程序中广泛使用的早期度量（John Herbert）

耦合簇方法加速与扩展

RI-CC2 基态代码在 libgmbpt 中实现显著加速（Hrishikesh Ram, Martin Head-Gordon）

CC2 与 RI-CC2 的 Dyson 轨道计算，支持 EA、IP、EE-EA、EE-IP 过程（Mauro Gascón Navas, Thomas C. Jagau, Robin E. Moorby, Simen Camps, Tianyi Gao）

THC-sRI 系列改进：RI-CC2 与 sRI-CC2 振子强度；THC-sRI-CC2 基态与激发态能量及性质；THC-sRI-CCSD 基态与激发态能量（Chongxiao Zhao, Ruihao Bi, Qi Ou, Joohno Lee, Chenyang Li, Wenjie Dou）

RI 与 CD 框架下 CCSD 及 EOM-CCSD 的性能优化

基于 CC/EOM-CC 的俄歇衰变速率计算工具 

NMR 化学位移

全新 MPI/OpenMP 并行有限差分算法，结合 RI 技术，相对旧版 NMR 代码实现大幅加速

支持所有现代杂化密度泛函（Xiao Liu, Martin Head-Gordon）

能量分解与片段分析

相关波函数

EDAEDA-II 现已支持 MP2、BW-s2 及 κ-MP2，基于线性标度代码库实现（Zhenling Wang, Hengyuan Shen, Martin Head-Gordon）。

OVOCV 分析

EDA 与 OODFT 中引入 OVOCV（Orbital-Valence Occupation Change based on Valence）分析，可作为 NOCV 的替代或补充，在给体-受体轨道识别上具有更高分辨率（Hengyuan Shen, Martin Head-Gordon）。

ROKS-EDA

实现限制性开壳层 Kohn-Sham（ROKS）理论框架下的能量分解分析（Haobo Ling, Hengyuan Shen, Martin Head-Gordon）。

力分解分析（FDA）

新增 FDA 功能，与 EDA 互补。

色散模型

MBDrev：基于 SAPT10k 数据集的机器学习优化模型（Corentin Villot, Ka Un Lao）

oC8raim：针对离子体系优化并扩展至重元素（Keegan Paice, John Herbert）

动力学、嵌入与溶剂化

多尺度嵌入

新增外部程序接口（如 CP2K），支持密度嵌入与 QM/MM 耦合（Ar Fonlon, Elena Kolodzeiski, Dustin R. Broderick, Kay Carter-Fenk, Christopher J. Mundy, Christopher J. Stein, John M. Herbert）

QM/EFP 框架中实现单电子积分的并行化，大型体系总计算速度提升约一个数量级（Lyudmila Slipchenko）

几何优化

内坐标优化中引入成对谐波限制器（pairwise harmonic confiner），改善优化稳定性（Chance Brandt, John Herbert）。

量子核效应：NEO 套件

Q-Chem 7.0 系统性地纳入核量子效应（Nuclear Quantum Effects），在 NEO（Nuclear-Electronic Orbital）框架下实现：

NEO-HF 与 NEO-DFT 的 Born-Oppenheimer 分子动力学（NEO-BOMD）

扩展 Lagrangian 分子动力学（NEO-ELMD）

约束 NEO 分子动力学（CNEO-MD）

NEO-PCM 与 NEO-QM/MM

上述方法由 NEO-AIMD 统一驱动，适用于质子转移、氢键动力学及同位素效应等核量子效应敏感过程（Joseph Dickinson, Sharon Hammes-Schiffer）。

光谱学工具

电子圆二色谱（ECD）：支持 TDDFT（Xunkun Huang, WanZhen Liang）与 EOM-CCSD

振动圆二色谱（VCD）：限制性与非限制性形式

CVS-XCIS：用于 X 射线光谱建模

俄歇衰变：新增 CC/EOM-CC 计算路径

ΔSCF：新驱动程序，简化输入并增强分析与可视化工具

Q-Chem 7.0 的方法学扩展覆盖了从周期性固体到生物大分子、从基态到激发态、从电子结构到核量子效应的多个维度。QC-PBC 与 M-Chem 的引入填补了Q-Chem在材料与生物体系模拟上的空白；线性标度局域相关、MRSF-TDDFT、THC-sRI-CC 及 NEO 套件的加入则进一步强化了其在高精度电子结构与动力学模拟上的能力。

 Q-Chem6.4新功能

Q-Chem 6.4 震撼来袭！立即升级,体验显著提升的计算性能与易用性,解锁全新的化学与光谱研究工具.依托这些创新功能,您可以部署大规模计算工作流,更快获得更精确的结果,并将研究范围拓展至以往无法触及的体系与科学问题.

光谱模拟新突破

核心-价电子分离（CVS）方案支持 ROCIS、XCIS 与 QROCIS

精确计算开壳体系的核心能级光谱

EOM-IP/EE-CCSD 求解器新增内价层投影选项

采用类 CVS 方法，精准计算由内价层电子主导的高能激发态与电离态

全新 ΔSCF 驱动程序

更快捷、更简便地执行 ΔSCF 计算,界面简洁流畅,并配备全新的结果分析工具.

大体系计算性能飞跃

迭代式 CC-in-DFT 嵌入方法用于性质计算

CC/EOM-CC 能量与梯度的两步 Cholesky 分解

显著加速 CD 计算，梯度计算效果更佳

随机 RI-CC2 解析梯度与导数耦合

DFT 方法重大更新

全新 DFT 泛函体系：

B97MV-D3s(BJ), B97MV-D4, wB97MV-D4, wB97MV-D3s(BJ), wB97XV-D3s(BJ), wB97XV-D4, Pr2SCAN69-D4,Pr2SCAN50-D4, wPr2SCAN50-D4,revDOD-PBEP86-D4, revDSD-PBEP86-D4, xDSD75-PBEP86-D4,wDSD72-PBEP86-D4,B2NC-PLYP, mPW2-PLYP,mPW2NC-PLYP,SOS0-PBE0-2

TAO-DFT 支持 B97 类泛函

PBEh-3c 与 HF-3c 半数值解析频率计算

精度与解析 Hessian 相当，计算效率更高。HF-3c 尤其适用于超高效几何优化

(在最小基组 HF 成本下,对非共价相互作用具有良好的精度).支持频率计算！

DFT-D4 全面升级

多参考态自旋翻转 DFT（MR-SF-DFT）

提升精度，解决原始 SF-TD-DFT 的自旋污染问题

NEO 方法扩展

NEO-CC2 方法用于激发态计算     NEO-CC 有限差分梯度几何优化

NEO 方法支持冻结核近似             NEO-CCSD(T) 与 NEO-CCSDTeep,epp 方法

 

Q-Chem6.3新功能

 

速度再突破  

密度拟合 DFT 核心重写：中型到大型（>2000 基函数）能量与受力平均提速 20–30 %，16 核测试 Cys-11 肽链 B3LYP/def2-TZVP 单点快 23 %。  

MPI 级并行覆盖有限差分频率、Numerical Hessian、Many-Body Expansion，节点数几乎线性扩展，百原子频率 overnight。  

SCF 永不“卡壳”  

Robust SCF：内置多阶段收敛流水线，自动识别 DIIS 漂移→切换 EDIIS/GDM/RCA/Damping，夜间作业零人工重启，专为高通量材料筛选与大数据训练设计。  

光谱工具箱升级  

Auger 衰减速率：全自动 Coulomb 波 + Feshbach-Fano 框架，无需外部脚本。  

开壳层 Auger：Projection EOMIP-CCSD 支持冻结核心与双重态参考。  

动态极化量：EOM-EE/SF-CCSD 虚频极化率，后续 CAS–London 轨道可直接读入做 Verdet 常数、CARS 强度。  

开壳层 & 共振体系专属  

自旋-轨道耦合：EOM-DEA、EOM-DIP 波函数均可后处理，无需重新计算。  

梯度：EOM-DIP/DEA-CCSD 解析梯度，势能面扫描、束缚态-共振态混合优化稳定。  

复数 EOM-CCSD：基于 RI 分解，衰变态能量、宽度一次给出，支持 200 电子级体系。  

多体方法“全垒打”  

EOM-CCSDT 正式版：EE/SF/IP/EA/DIP/DEA 六通道同精度，<0.05 eV 误差挑战光电子谱。  

CC2-BW：Brillouin-Wigner 尺寸一致修正，克服标准 CC2 对三激发低估，激发能误差 ↓ 30 %。  

化学解析看得见  

Broken Bond Orbitals (BBO)：一键生成，能量分解（EDA）自动区分泡利排斥、静电、轨道互作。  

CT Metrics：libwfa 模块提供轨道不变电荷转移距离、激子尺寸，避免传统 Δq·Δr 伪影。  

ALMO(MSDFT)  Diabatic 耦合：ΔSCF 激发态与基态间电子耦合，用于单分子电导、激子裂变速率。  

极端条件与反应操控  

力学化学：新增 PV 能量项，外压 0–10 GPa 连续可调，几何优化与过渡态搜索自动包含体积功。  

柔性约束：扭角、平底势、键长、角度、质心距、二面角、r12⊥r34 等 10 余种内置限制，支持 PES 扫描与过渡态限制。  

真实环境不再“一刀切”  

HetPCM：同一 QM 集群可分区赋予介电常数（表面 ε=78、疏水核 ε=4），酶催化模型更逼真。  

SMD 半数值频率：解析梯度 + 数值微分，成本≈纯解析，100 原子有机溶剂频率 1–2 h 完成。  

GMBE-DM：密度矩阵碎片化 SCF，可搭配 def2-TZVPP 等高阶基组，片段间自洽到 1 μEh，线性寡聚物 10× 提速。  

量子核效应（NEO）套件  

NEO-PCM 解析 Hessian：溶液相量子质子频率、同位素效应、质子隧道分裂全可算。  

泛函“零改”支持：ωB97X-D、ωB97X-D3、B3LYP-D3(BJ)…色散校正已内置，直接做 NEO-SCF 能量与梯度。  

多质子同步优化：GDM+DIIS 混合算法支持任意数目量子质子，初始核猜测改进，收敛步数减半。  

 

Q-Chem6.2新功能 

Q-Chem6.2，是该软件包的第七个主要版本，包含多项改进和新特性。一些新增特性包括：

    ＊自然增强轨道（Natural Auger Orbitals）用于CVS-EOM方法的奥杰衰减、ICD和相关过程。

    ＊ACP-EOMIP-CCSD用于部分奥杰衰减宽度的计算。

    ＊ EOM-CCSDT用于电子能量和自旋-翻转态的研究。

    ＊ TDKS的偶极滤波。

    ＊ DFT/CIS半经验方法，包括用于X射线光谱学的新的参数化。

    ＊ 1C-NOCIS的推广到双电子开放壳层单重态。

    ＊ 使用IAOs的原子多极矩计算。

    ＊ RT-NEO及其变体，NEO多态DFT（NEO-MSDFT），SCS-RIMP2和SOS-OOMP2用于NEO方法。

 

密度泛函理论（DFT）：支持LDA、GGA、meta-GGA泛函，以及这些泛函的混合、范围分离混合和双重混合版本。可以评估基态和激发态的单点能量、几何优化、振动频率计算等。

 

电子相关性：提供处理电子相关效应的先进工具，如Møller-Plesset微扰理论和耦合簇理论。对于强相关系统，提供特殊处理方法，包括CASSCF、耦合簇价键理论、选择性CI、RAS-CI、自旋翻转和变分2-RDM方法。

 

 激发态方法：提供多种方法研究电子激发态，包括CIS、TD-DFT、NOCI、EOM-CC和ADC。这些方法可以模拟光谱特性、电荷和能量转移以及非绝热动力学。

 

溶剂化和嵌入：提供多种模型化溶剂化系统的解决方案，包括隐式溶剂模型和有效片段势方法。还包括QM/MM和密度嵌入等多种嵌入方法。

 

光谱学建模：提供多种工具模拟不同类型的光谱，包括红外和拉曼光谱、紫外-可见光谱、X射线光谱、光电子能谱、核磁共振和非线性光谱。

 

分子间相互作用：提供基于绝对局域分子轨道的能量分解分析，以及对称性适应的微扰理论（SAPT）和扩展的多体版本

（XSAPT）来计算和分析分子间相互作用。

 

化学反应：提供几何优化、势能面扫描、过渡态搜索和内在反应坐标跟踪的方法，适用于化学活性、热化学和化学动力学的研究。

 

分子动力学：Q-Chem可以执行从头算分子动力学（AIMD），包括NVE和NVT热采样，以及准经典分子动力学（QMD）。还包括Tully的最少交换面跳跃（FSSH）方法，有效处理非绝热系统。

 

分子动力学：Q-Chem可以执行从头算分子动力学（AIMD），包括NVE和NVT热采样，以及准经典分子动力学（QMD）。还包括Tully的最少交换面跳跃（FSSH）方法，有效处理非绝热系统。

 

＆ Q-Chem 4.1新功能

  • - 高度并行化(OpenMP、MPI)和有效多核兼容，实现HF、DFT和CCSD计算的高效运行；
  • - 使用最新技巧描述反应分子桥联的非平衡条件的T-Chem量子输运代码；
  • - M06, M08 and M11系列泛函的TDDFT计算；
  • - 扩展的冻结字符串方法,尤其是可用于过渡态结构细化的近似Hessian的构建；
  • - 扩展绝对定域分子轨道基能量分解分析计算到非限制性体系；
  • - XYGJ-OS分析能量梯度；
  • - 基于SCF计算的显式极化（XPol）单体方法，计算多体极化效应达线性标度；
  • - 用于分子间相互作用能量分解分析的基于“SAPT0”水平的对称性匹配微扰理论的计算；
  • - XPol与SAPT结合的XSAPT方法计算大分子簇内串分子间相互作用；
  • - 研究激发态的RAS-n-SF方法
  • - 势能面扫描；
  • - 具高密度和低密度极限间连续过渡的最新精确的LSD 相关泛函；
  • - 不破坏Kohn-Sham对称性的计算定域原子磁矩的新方法；
  • - 计算包括静态相关效应的Mayer型键序。


＆ Q-Chem4.0在取得巨大成功的3.2版的优异功能的基础上，增加了：

  • - 用于激发态结构优化的TDDFT的解析梯度和解析二阶导数计算
  • - 复杂位能面的IRC搜寻，
  • - 范围分割和扩散校正的DFT泛函，
  • - 更快的DFT、HF和耦合簇（CC）计算方法，
  • - 更多选择的激发态、溶剂化效应和电荷迁移的计算方法，
  • - 更有效的处理大分子体系的QM/MM方案，
  • - 大分子体系的激发态计算的最大重叠方法，
  • - 双电子性质的分析，
  • - 多核系统和GPU使用的内存共享。

 

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＆ Q-Chem 的特色

  • 1. 超快速DFT 计算（为一般DFT 计算速度的3 倍）
  • 2. 超快速MP2 计算（为一般MP2 计算速度的3-10 倍，与HF 的计算速度相当）
  • 3. 第一个线性标度的NMR 化学位移计算
  • 4. 适于自由基和激发态计算的新的DFT 和post-HF 计算方法
  • 5. 输入简便的QM/MM 杂化方法计算
  • 6. 新一代连续溶剂化计算模型(sm8, cosmo)
  • 7. 多核系统和GPU 使用的内存共享。

 

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＆ 基态自洽场方法
1. Hartree-Fock 方法

  • - 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
  • - 用于结构优化的解析一阶导数
  • - 用于谐振频率分析的解析二阶导数

2. 密度泛函理论

  • - 局域泛函和梯度校正泛函
  • - 交换泛函：Slater，Becke’88，Perdew’91，Gill’96，Gilbert-Gill’99，Handy -Cohen OPTX
  • - 关联泛函：VWN5，Lee-Yang-Parr，Perdew-Zunger’81，Perdew’86，Wigner， Perdew’91
  • - EDF1 交换-关联泛函。
  • - 用户定义的交换-关联泛函。
  • - HF-DFT 混合泛函：B3LYP，B3PW91，B3LYP5
  • - 用户定义的混合泛函。
  • - 基于数值格点的数值积分方案：SG-0 标准网格，SG-1 标准网格，Lebedev 和Gauss-Legendre 角向积分方案
  • - 用于结构优化的解析一阶导数
  • - 用于谐振频率分析的解析二阶导数

3. 线性标度方法

  • - 傅立叶变换库仑方法
  • - 连续快速多极方法
  • - 线性标度HF 交换方法
  • - 基于格点的线性标度积分，用于交换-关联泛函求值
  • - 线性标度NMR 化学位移

4. AOINTS 包用于双电子积分

  • - 结合了高性能积分技术的最新进展；COLD PRISM；J-矩阵引擎。

5. SCF 改进

  • - in-core 和直接SCF 的最优混合
  • - DIIS
  • - 初始猜测方案：重叠球平均原子密度，广义Wolfsberg-Helmholtz，从小基组投影，芯哈密顿量的猜测
  • - SCF 波函的稳定性分析

＆ 最大重叠方法

  • - Fock 矩阵的直接最小化
  • - 极化原子轨道对分子优化的最小基

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＆ 基组

  • 1. 高斯基组
  • 2. 赝势基组
  • 3. 用户定义的基组和赝势
  • 4. 基组重叠误差(BSSE)校正


＆ QM/MM

  1. 1. 到CHARMM 的接口
  2. 2. ONIUM
  3. 3. 更有效地处理大分子体系的QM/MM 方案

＆ 基于波函的电子关联处理
1. MP 微扰理论

  • - 限制性，非限制性，和限制性开壳层形式
  • - 直接和半直接方法计算能量
  • - 半直接方法的解析梯度，用于限制性和非限制性形式
  • - 在MP3，MP4 和MP4SDQ 方法的解析梯度计算中处理冻芯轨道

2. 局域MP2 方法

  • - 根据物理图象截断完全MP2 的能量表达式，从而减少计算量
  • - 减少计算量相对于分子尺寸的标度，近似为两倍，却不明显丢失精度。
  • - 应用外推PAO 用于局域校正
  • - 可以使用分子中的双原子和分子中的三原子技术

3. RI-MP2

  • - 比MP2 和局域MP2 快十倍

4. 耦合簇方法

  • - CCSD：能量，以及作为能量有限差分的梯度
  • - EOM-XX-CCSD；XX = EE, EA, IP, SF，能够灵活处理自由基，键的断裂，以及对称破缺问题
  • - 耦合簇能量的非迭代校正：三级校正CCSD(T)，三级和四级校正CCSD(2)
  • - 广泛应用分子点群对称性，以改善效率
  • - 二次双激发耦合簇
  • - QCISD，QCISD(T)和QCISD(2)用于能量
  • - DIIS 用于收敛加速
  • - 冻芯近似，用于增加可处理体系的尺寸

5. 优化轨道的耦合簇方法

  • - 优化轨道的双激发耦合簇(OD)：可避免人为的对称破缺问题；优化平均场参考轨道使能量最小；Brueckner
  • - 耦合簇；OD，OD(T)，和OD(2)的能量及梯度
  • - 优化价轨道的耦合簇方法(VOD)：传统CASSCF 方法的耦合簇近似；在价活性空间利用截断的OD 波函；
  • - 比CASSCF 有更少的磁盘空间需求和更小的体系标度，可处理较大体系；VOD，VOD(T)，VQCCD，和VOD(2)的能量及梯度


＆ 激发态方法
1. 支持的计算类型

  1. - 垂直激发吸收谱
  2. - 通过激发态能量的有限差分，进行激发态的结构优化
  3. - UCIS 和RCIS 进行激发态的振动分析
  4. - 自旋反转DFT

2. CIS 方法

  • - 从Hartree-Fock 基态波函计算激发态：获得定性的单电子激发态；结构与频率与基态Hartree-Fock 结果有可比性
  • - 高效的直接算法用于计算闭壳层和开壳层体系的能量、解析梯度和二阶导数
  • - XCIS 用于二重和四重态计算
  • - 双激发微扰校正CIS(D)，可使CIS 误差减少两倍或更多，接近于MP2

3. TDDFT

  • - 从Kohn-Sham 基态波函计算激发态能量
  • - 对于低位价激发态，TDDFT 比CIS 有相当大的改善，但只有相近的计算量
  • - 提供激发态中关联效应的内在图像
  • - 自由基的低位价激发态，比CIS 有相当大的改善
  • - 自旋反转密度泛函理论(SFDFT)：把TDDFT 推广到低位价激发态之外；可用于键断裂的过程，以及自由基和双自由基体系。

4. 基于耦合簇的激发态方法

  • - EOM-CCSD

自旋反转激发态方法：改善了双、三自由基体系的处理；结合单行列式波函处理键断裂问题；可用于OD和CCSD 理论级别

  • - OOD 方法：与CCSD 激发态方法有几乎相同的数值性能；比TDDFT 精度更高，到计算量更昂贵
  • - EOM-VOOD 方法：类似于EOM-CCSD，但使用VOOD 方案
  • - 激发态特性计算：跃迁偶极矩和结构

5. 分解分析

  • - 显示电子跃迁的工具，用于把电子跃迁分类为价跃迁、Rydberg 跃迁，混合跃迁，或电荷转换

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＆ 特性分析
1. 自动结构优化和过渡态优化

  • - 具有一般约束的结构优化：可施加于键角，二面（扭转）角或平面外的弯曲；直角坐标中冻结原子；约束不一定要加在初始结构上
  • - 用约化内坐标保证迅速收敛，避免初始力常数矩阵
  • - 优化使用笛卡尔，Z-矩阵或离域内坐标
  • - 本征矢跟踪算法，用于过渡态和最小化
  • - GDIIS 算法用于最小化：使到平衡结构的收敛获得极大加速
  • - 内反应坐标跟踪：沿着反应路径的连续平衡结构和过渡态

2. 振动光谱

  • - 自动调用解析和数值二阶导数
  • - 红外和拉曼强度
  • - 输出标准的统计热力学信息
  • - 同位素替换，用于与实验进行比较
  • - 非谐性校正

3. NMR 屏蔽张量
4. 自然键轨道NBO 分析
5. Stewart 原子

  • - 从分子密度重新获得原子特性
  • - Q-Chem 用单位分解方法计算这些值

6. 动量密度
7. Intracules

  • - 独特的双电子函数，提供分子中库仑能和交换能关于位置和动量的最详尽信息

8. 分子中的原子

  • - 利用免费的AIMPAC 进行AIM 分析

9. 溶剂模型

  • - SM8
  • - COSMO
  • - 简单的Onsager 反应场模型
  • - Langevin 偶极模型
  • - SS(V)PE：一种新的电解质连续模型

10.基于Dirac-Fock 理论的相对论能量校正
11.对角绝热校正

  • - 计算Born-Oppenheimer 对角修正，研究核与电子运动绝热距离的分解

 

＆ Q-Chem 创新点

 

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＆ Q-Chem效用示例


- Linux机群的快速DFT计算
对于有103个原子的紫杉醇分子，在有8CPU的Xeon机群上进行BLYP/6-31(df,pd)等级（1925个基函数）的能量和梯度计算，使用Q-Chem仅需28分钟。


- MP2能达到HF的计算速度
高效的RI算法使中等的大基组的MP2计算更为有效。左图是丙氨酸四肽相对构象能（有27个稳定结构）的比较的示例。


- 线性标度NMR计算
右图和表格给出计算的分子的NMR位移相对于环绕的水分子的数目的收敛性。这是迄今进行的最大体系的NMR计算，在HF/6-31G**等级共有3000个基函数。


- 新发现
Q-Chem独有的EOM-(EE, IP, EA, SF)-CCSD方法能有效地描述双或三自由基的多个组态。使用该方法发现了首个具有开壳层双重态基态的有机分子的实例，DMX三自由基的三个不成对电子呈反铁磁性式偶合。