IBMは2026年8月24日、量子コンピューティングにおけるフェルミオン系のシミュレーションに取り組む研究者向けのオープンソース・ツールキット、Qiskit Fermionsを発表した。このパッケージでは、フェルミオン演算子とフェルミオン回路の表現、フェルミオン系と量子ビット間の変換処理の構築を行い、その後、ワークフローをQiskitコンパイラーに統合できる。
量子化学や物性物理学における多くの問題では、相互作用するフェルミオン粒子を扱う一方、量子コンピューターは量子ビットを用いて回路を実行する。IBMは、問題を早い段階で量子ビット表現へ変換すると、問題が持つ物理的構造の一部が失われる可能性があると考えている。そのためQiskit Fermionsは、コンパイル処理の一部の段階ではフェルミオン表現を保持し、経路の後段になるまで量子ビットへの合成を実行しない。
遅延変換とカスタマイズ可能な設計
このパッケージは「フェルミオン回路」という概念を提供する。これは量子回路に似た表現だが、量子ビットではなくフェルミオンモード上で動作する。研究者は、量子ビットへの変換方法を決める符号化コンポーネントと、時間発展を近似する方法を選択でき、独自のコンポーネントを作成することもできる。
このアプローチは、Qiskit 2.5で導入された多重表現コンパイル・フレームワークに基づいている。ワークフローはフェルミオン演算子とフェルミオン回路から始まり、コンパイル処理の途中で量子ビットへの合成が行われ、その後、従来の量子回路を用いて経路が完了する。IBMによれば、フェルミオン対称性に関する情報をより長く利用可能な状態に保つことで、問題を完全に量子ビットレベルへ縮約した後には不可能な最適化が可能になる場合がある。
一定の深さの例
IBMは、この考え方を説明するため、1次元のFermi-Hubbardモデルを紹介している。この例では、量子ビットへの変換前に、ホッピング項を「フロー群」にまとめる。補助量子ビットを1つ追加すると、粒子移動項の一群全体を単一量子ビット演算へ変換でき、複数のエンタングリングゲートを用いて実行する必要がなくなる。
発表に記載された測定によると、モデルを4サイトから100サイトへ拡大しても、2量子ビットゲートの深さは12で一定だった。これに対し、Jordan-Wignerと素朴な時間分割に基づく従来手法では、100サイトで深さ407に達した。IBMは、この例にはカスタム符号化が必要だと説明している。一方、パッケージには、一般的な用途を簡略化するため、Jordan-Wignerに基づくパス・マネージャーもあらかじめ用意されている。
Qiskitエコシステム内での位置付け
Qiskit Fermionsは、高性能シミュレーターであるffsimと統合されている。ffsimは、回路が粒子数を維持する場合、一部の回路をフェルミオンレベルでより効率的に実行できる。また、生成された回路はSQDアドオンと併用できる。SQDは、量子ハードウェアから取得したサンプルを処理して固有値を推定するもので、分子の基底状態エネルギーなどを推定できる。
現在、このパッケージにはフェルミオン回路と合成機能のためのPythonインターフェースが含まれており、IBMは将来のリリースでCをサポートする計画だ。また同社は、このツールを化学および材料科学向けソフトウェアとより深く連携させる計画や、Qiskitにおけるゲートとカスタム回路型のサポートが発展するのに伴い、回路ライブラリをRustへ、さらにCへ移植する計画も示している。
この発表が重要な理由
実際の変更点は単なる新しいシミュレーターではなく、フェルミオン問題の記述と量子ビット上での実行方法を分離するソフトウェア層を提供することにある。これにより研究者は、回路を手作業で再構築することなく、新しい符号化やアルゴリズムを試す余地を広げられる可能性がある。ただし、示された一定の深さの結果はFermi-Hubbardの例とフロー群に基づく符号化に関するものであり、すべての量子化学または物性問題で同様の改善が得られることを自動的に証明するものではない。また、一部の機能は依然としてPythonに限定されているため、既存の科学ソフトウェアとの統合範囲は、計画されているCインターフェースの発展に左右される。
このパッケージは現在、オープンソース・プロジェクトとして利用可能であり、1次元および2次元のFermi-Hubbardモデル向けドキュメントと例、GitHubリポジトリ、フロー群符号化に関連する研究論文も提供されている。