IBM выпускает Qiskit Fermions 0.1.0

Репортаж от Wedoany，IBM Quantum официально выпустила Qiskit Fermions (v0.1.0) — библиотеку программного обеспечения с открытым исходным кодом и расширение транслятора для фермионных систем, позволяющее представлять фермионные операторы, строить доменно-специфичные фермионные схемы и оптимизировать отображение на квантовые битовые архитектуры. Библиотека построена на высокопроизводительном ядре на Rust, предоставляет привязки для Python и C и решает проблему компиляционного разрыва между задачами физики взаимодействующих частиц, такими как квантовая химия и моделирование конденсированных сред, и стандартными квантовыми битовыми процессорами.

Qiskit Fermions использует многоуровневую архитектуру: базовую основу составляет высокопроизводительное ядро на Rust, поверх которого предоставляются Python API и привязки для C, распространяемые под лицензией Apache 2.0. В стратегии трансляции библиотека поддерживает отложенный синтез фермион-к-кубиту и внедряет потоковое кодирование с помощью вспомогательных кубитов. В плане экосистемной интеграции она напрямую взаимодействует с ffsim (моделирование в пространстве Фока), а также подключается к плагину выборки-квантовой диагонализации (SQD) и методам случайной компиляции qDRIFT и SqDRIFT.

В компиляционном процессе традиционный рабочий процесс квантовой химии обычно сначала отображает фермионный гамильтониан на кубиты с помощью таких преобразований, как Jordan-Wigner, а затем выполняет алгоритмы временной эволюции. Qiskit Fermions меняет этот порядок местами: на ранних этапах компиляции операции сохраняются в доменно-специфичном уровне «фермионных схем», а преобразование в кубитные гейты откладывается до финального этапа трансляции, что позволяет сохранять физические симметрии и правила сохранения числа частиц на более глубоких уровнях конвейера компиляции.

В бенчмарке временной эволюции 1D модели Fermi-Hubbard с помощью локального потокового кодирования с вспомогательными кубитами операторы перескока частиц преобразуются в однокубитные вращения, а глубина двухкубитных гейтов остаётся постоянной на уровне 12 для размеров системы от 4 до 100 сайтов; для сравнения, традиционная троттеризация Jordan-Wigner достигает глубины 407 при 100 сайтах. Каналы кодирования этого расширения являются подключаемыми: исследователи могут использовать встроенные каналы преобразования или пользовательские отображения фермион-к-кубиту без изменения высокоуровневой логики алгоритмов. Нативная интеграция с ffsim позволяет моделировать схемы в компактном фермионном пространстве Фока вместо кубитного гильбертова пространства размером 2^N, что ускоряет локальную проверку.

Qiskit Fermions разработана исследователями IBM Максом Россманнеком, Дженнифер Глик и Робертом Дэвисом и является частью инициативы IBM «Инструменты отображения полезности». Эта серия переиспользуемых доменных модулей направлена на соединение сложных физических постановок задач с отказоустойчивым и смягчённым по ошибкам исполнением, а также напрямую поддерживает плагин SQD для оценки энергии основного состояния и методы случайной компиляции, такие как SqDRIFT.