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formulate-quantum-problem

pjt222
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Cette compétence aide les développeurs à formuler des problèmes de mécanique quantique ou de chimie en définissant le cadre mathématique, incluant l'espace de Hilbert, les opérateurs et les conditions aux limites. Elle assiste dans la traduction de scénarios physiques en formalismes tels que l'équation de Schrödinger et dans le choix de méthodes de résolution appropriées comme la théorie des perturbations ou la DFT. Utilisez-la lors de la mise en place d'un problème quantique pour une résolution analytique ou numérique.

Installation rapide

Claude Code

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Principal
npx skills add pjt222/agent-almanac -a claude-code
Commande PluginAlternatif
/plugin add https://github.com/pjt222/agent-almanac
Git CloneAlternatif
git clone https://github.com/pjt222/agent-almanac.git ~/.claude/skills/formulate-quantum-problem

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Documentation

Formulate Quantum Problem

Physical system → well-posed QM problem: ID DOFs → build H + Hilbert space → BCs → pick approx method → validate vs known limits.

Use When

  • Set up QM problem for analytic/numerical solution
  • QChem calc (MOs, electronic structure)
  • Physical scenario → Dirac/Schrödinger
  • Choose perturbation / variational / DFT / exact diag
  • Theoretical model for spectroscopic/scattering comparison

In

  • Required: system desc (atom, molecule, solid, field)
  • Required: target observable (spectrum, rates, ground state)
  • Optional: experimental constraints
  • Optional: accuracy / compute budget
  • Optional: formalism (wave mech, matrix mech, 2nd quant, path int)

Do

Step 1: ID system + DOFs

  1. Particles: list (electrons, nuclei, photons, phonons) + quantum nums (spin, charge, mass)
  2. Symmetries: spatial (sph/cyl/trans/crystal), internal (spin/gauge), discrete (P, T)
  3. Energy scales: which DOFs active vs frozen/adiabatic
  4. Reduction: Born-Oppenheimer if nuclear/electronic timescales separate; collective coords for many-body
## System Characterization
- **Particles**: [list with quantum numbers]
- **Active degrees of freedom**: [coordinates, spins, fields]
- **Frozen degrees of freedom**: [and justification for freezing]
- **Symmetry group**: [continuous and discrete]
- **Energy scale hierarchy**: [e.g., electronic >> vibrational >> rotational]

→ Complete inventory: particles, QNs, symmetries, active vs frozen justified.

If err: hierarchy unclear → keep all DOFs, flag for scale analysis. Premature truncation → wrong physics.

Step 2: Build H + Hilbert space

  1. Hilbert space: finite-dim → basis (|↑>, |↓>). Infinite → function space (L²(R³) for 3D single particle).
  2. Kinetic: each particle. Position rep: T = -ℏ²/(2m) nabla².
  3. Potential: all interactions (Coulomb, harmonic, spin-orbit, external). Explicit form + coupling.
  4. Composite H: H = T + V, group by type. Multi-particle: exchange/correlation or note via approx.
  5. Operator algebra: H Hermitian? Constants of motion ([H,O]=0) → block-diagonalize.
## Hamiltonian Structure
- **Hilbert space**: [definition and basis]
- **H = T + V decomposition**:
  - T = [kinetic terms]
  - V = [potential terms, grouped by type]
- **Constants of motion**: [operators commuting with H]
- **Symmetry-adapted basis**: [if block diagonalization is possible]

→ Complete Hermitian H w/ all terms, Hilbert space defined, constants of motion ID'd.

If err: not Hermitian → missing conjugate / gauge phase. Ambiguous Hilbert space (relativistic) → specify formalism.

Step 3: BCs + initial conditions

  1. BCs: bound → normalizability (psi→0 at ∞). Scattering → incoming wave. Periodic → Bloch / Born-von Karman.
  2. Domain: spatial. Box walls. H atom: radial + angular. Lattice + topology.
  3. Initial state (time-dep): t=0 expansion in eigenbasis or wave packet w/ center + width.
  4. Constraints: indistinguishable → sym (bosons) / antisym (fermions). Gauge → gauge-fixing.
## Boundary and Initial Conditions
- **Spatial domain**: [definition]
- **Boundary type**: [Dirichlet / Neumann / periodic / scattering]
- **Normalization**: [condition]
- **Particle statistics**: [bosonic / fermionic / distinguishable]
- **Initial state** (if time-dependent): [specification]

→ BCs physically motivated, consistent w/ H domain, unique solution (or scattering matrix).

If err: over/under-determined → check self-adjointness on domain. Non-self-adjoint → handle deficiency indices.

Step 4: Pick approx method

  1. Exact solvable: matches known model (HO, H atom, Ising)? → exact + perturbation corrections.

  2. Perturbation (weak coupling):

    • H = H0 + lambda V, H0 solvable
    • lambda V small vs H0 level spacing
    • Degeneracy? → degenerate perturbation
    • Fits: weak interaction, few-body, analytic needed
  3. Variational (ground state):

    • Trial wf w/ params
    • Satisfies BCs + symmetry
    • Fits: ground state energy primary, many-body
  4. DFT (many-electron):

    • XC functional (LDA, GGA, hybrid)
    • Basis (plane waves, Gaussian, NAOs)
    • Fits: many-electron, ground state density + energy
  5. Numerical exact (small/benchmark):

    • Exact diag for small Hilbert
    • QMC for ground state sampling
    • DMRG for 1D/quasi-1D
    • Fits: high accuracy, small system
## Approximation Method Selection
- **Method chosen**: [name]
- **Justification**: [why this method fits the problem structure]
- **Expected accuracy**: [order of perturbation, variational bound quality, DFT functional accuracy]
- **Computational cost**: [scaling with system size]
- **Alternatives considered**: [and why they were rejected]

→ Justified method + expected accuracy + compute cost + alternatives.

If err: no single method fits → formulate for 2 + compare. Disagreement reveals difficulty.

Step 5: Validate vs limits

  1. Classical (ℏ→0 or large QNs): H reduces to classical mech.
  2. Non-interacting: couplings → 0 → product of single-particle states.
  3. Symmetry: respects all symmetries. H transforms correctly under group.
  4. Dimensional: every H term = energy. Length/energy/time scales reasonable.
  5. Known exact: special cases (H atom Z=1, HO quadratic) → reproduced.
## Validation Checks
| Check | Expected Result | Status |
|-------|----------------|--------|
| Classical limit (hbar -> 0) | [classical Hamiltonian] | [Pass/Fail] |
| Non-interacting limit | [product states] | [Pass/Fail] |
| Symmetry transformation | [correct representation] | [Pass/Fail] |
| Dimensional analysis | [all terms in energy units] | [Pass/Fail] |
| Known exact case | [reproduced result] | [Pass/Fail] |

→ All pass. Self-consistent, ready to solve.

If err: fail → err in H construction or BCs. Trace to specific term/condition, fix before solving.

Check

  • Particles + QNs listed
  • Hilbert space + basis
  • H Hermitian + correct units
  • Constants of motion used
  • BCs physically + mathematically sufficient
  • Statistics (bos/ferm) enforced
  • Method justified + accuracy stated
  • Classical, non-interacting, symmetry limits checked
  • Known exact reproduced
  • Reproducible

Traps

  • Premature DOF drop: freeze w/o energy scale arg → wrong physics. Justify every reduction.
  • Non-Hermitian H: missing conjugate in spin-orbit / complex V. Verify H=H† explicitly.
  • Wrong scattering BCs: bound-state BCs for scattering → discards continuum. Match to question.
  • Degeneracy in perturbation: non-deg perturbation on deg level → divergent. Check first.
  • Single-method reliance: variational → upper bound but misses excited; perturbation diverges at strong coupling. Cross-validate.
  • Unit inconsistency: mixing natural (ℏ=1) + SI. Pick consistent system, state explicitly.

  • derive-theoretical-result — analytic from formulated problem
  • survey-theoretical-literature — prior work on similar QM systems

Dépôt GitHub

pjt222/agent-almanac
Chemin: i18n/caveman-ultra/skills/formulate-quantum-problem
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