IBM hat am 24. August 2026 Qiskit Fermions vorgestellt, ein quelloffenes Werkzeugpaket für Forschende, die an der Simulation fermionischer Systeme im Quantencomputing arbeiten. Das Paket ermöglicht die Darstellung fermionischer Operatoren und Schaltkreise, den Aufbau von Umwandlungen zwischen fermionischen Systemen und Qubits sowie die Zusammenstellung des Workflows im Qiskit-Compiler.
Viele Probleme der Quantenchemie und der Materialphysik befassen sich mit wechselwirkenden fermionischen Teilchen, während Quantencomputer Schaltkreise mit Qubits ausführen. IBM zufolge kann eine frühe Umwandlung des Problems in eine Qubit-Darstellung dazu führen, dass ein Teil der physikalischen Struktur des Problems verloren geht. Qiskit Fermions behält daher die fermionische Darstellung während bestimmter Phasen des Übersetzungsprozesses bei und führt die Synthese in Qubits erst in einer späteren Phase des Ablaufs durch.
Aufgeschobene Umwandlung und anpassbares Design
Das Paket führt das Konzept des „fermionischen Schaltkreises“ ein – eine Darstellung, die einem Quantenschaltkreis ähnelt, jedoch mit fermionischen Modi statt mit Qubits arbeitet. Forschende können die Kodierungskomponente auswählen, die die Methode der Umwandlung in Qubits festlegt, ebenso wie die Methode zur Approximation der Zeitentwicklung, oder eigene Komponenten schreiben.
Dieser Ansatz basiert auf dem Multirepräsentations-Übersetzungsrahmen, den Qiskit in Version 2.5 eingeführt hat. Der Workflow beginnt mit einem fermionischen Operator und einem fermionischen Schaltkreis; anschließend erfolgt die Synthese in Qubits während der Übersetzung, bevor der Ablauf mit herkömmlichen Quantenschaltkreisen fortgesetzt wird. IBM zufolge kann das längere Beibehalten von Informationen über fermionische Symmetrien Optimierungen ermöglichen, die nicht mehr möglich sind, sobald das Problem vollständig auf die Qubit-Ebene reduziert wurde.
Beispiel für konstante Tiefe
IBM stellt ein eindimensionales Fermi-Hubbard-Modell vor, um das Konzept zu veranschaulichen. In dem Beispiel werden die Bewegungsterme vor der Umwandlung in Qubits zu „Flussgruppen“ zusammengefasst. Mit einem zusätzlichen Hilfsqubit kann eine vollständige Gruppe von Teilchenübergangstermen in Ein-Qubit-Operationen umgewandelt werden, anstatt sie über mehrere verschränkende Gatter auszuführen.
Der in der Ankündigung angegebene Vergleich zeigt, dass die Tiefe der Zwei-Qubit-Gatter bei einer Vergrößerung des Modells von vier auf 100 Stellen konstant bei 12 blieb. Im Vergleich dazu erreichte der herkömmliche Ansatz auf Grundlage von Jordan-Wigner und naiver Zeitschrittzerlegung bei 100 Stellen eine Tiefe von 407. IBM weist darauf hin, dass dieses Beispiel eine maßgeschneiderte Kodierung erfordert, während das Paket auch einen auf Jordan-Wigner basierenden vorgefertigten Passmanager zur Vereinfachung gängiger Anwendungsfälle bereitstellt.
Der Platz innerhalb des Qiskit-Ökosystems
Qiskit Fermions lässt sich in ffsim integrieren, einen Hochleistungssimulator, der bestimmte Schaltkreise auf fermionischer Ebene effizienter ausführen kann, wenn der Schaltkreis die Teilchenzahl erhält. Die erzeugten Schaltkreise können außerdem mit dem SQD-Add-on verwendet werden, das aus Quantenhardware gewonnene Stichproben verarbeitet, um Eigenwerte wie die Grundzustandsenergie eines Moleküls zu schätzen.
Das Paket umfasst derzeit eine Python-Schnittstelle für fermionische Schaltkreise und Synthesefunktionen, während IBM plant, in einer künftigen Version C zu unterstützen. Das Unternehmen verweist außerdem auf Pläne, das Werkzeug umfassender mit Software für Chemie und Materialwissenschaften zu verknüpfen und die Schaltkreisbibliothek zunächst nach Rust und anschließend nach C zu portieren, während sich die Unterstützung von Qiskit für benutzerdefinierte Gatter und Schaltkreistypen weiterentwickelt.
Warum ist diese Ankündigung wichtig?
Die praktische Veränderung besteht nicht nur in einem neuen Simulator, sondern in der Bereitstellung einer Softwareschicht, die zwischen der Beschreibung des fermionischen Problems und seiner Ausführung auf Qubits vermittelt. Dies könnte Forschenden mehr Spielraum geben, neue Kodierungen und Algorithmen zu testen, ohne die Schaltkreise manuell neu aufbauen zu müssen. Die vorgestellten Ergebnisse zur konstanten Tiefe beziehen sich jedoch auf ein Fermi-Hubbard-Beispiel und eine auf Flussgruppen basierende Kodierung und belegen nicht automatisch eine vergleichbare Verbesserung für alle Probleme der Chemie oder der Materialwissenschaften. Außerdem sind einige Funktionen weiterhin auf Python beschränkt, sodass der Umfang der Integration in bestehende wissenschaftliche Software von der Weiterentwicklung der geplanten C-Schnittstellen abhängt.
Das Paket ist jetzt als Open-Source-Projekt verfügbar, zusammen mit der Dokumentation und Beispielen für ein- und zweidimensionale Fermi-Hubbard-Modelle, einem GitHub-Repository und Forschungsarbeiten zu Flussgruppen-Kodierungen.