Em 24 de agosto de 2026, a IBM anunciou o Qiskit Fermions, um pacote de ferramentas de código aberto destinado a pesquisadores que trabalham com a simulação de sistemas fermiônicos na computação quântica. O pacote permite representar operadores e circuitos fermiônicos, construir operações de conversão entre sistemas fermiônicos e qubits e, em seguida, compilar o fluxo de trabalho no compilador Qiskit.
Muitos problemas de química quântica e física da matéria envolvem partículas fermiônicas interagentes, enquanto os computadores quânticos executam circuitos usando qubits. A IBM considera que converter o problema para uma representação em qubits precocemente pode levar à perda de parte da estrutura física do problema. Por isso, o Qiskit Fermions mantém a representação fermiônica durante etapas do processo de compilação e só realiza a síntese para qubits em uma etapa posterior do fluxo.
Conversão adiada e design personalizável
O pacote introduz o conceito de “circuito fermiônico”, uma representação semelhante a um circuito quântico, mas que opera sobre modos fermiônicos em vez de qubits. O pesquisador pode escolher o componente de codificação que define o método de conversão para qubits, bem como o método de aproximação da evolução temporal, ou escrever seus próprios componentes.
Essa abordagem se baseia no framework de compilação multirrepresentacional apresentado pelo Qiskit na versão 2.5. O fluxo de trabalho começa com um operador e um circuito fermiônicos; depois, a síntese para qubits ocorre no meio do processo de compilação, antes da continuação do fluxo usando circuitos quânticos tradicionais. A IBM afirma que manter as informações de simetria fermiônica disponíveis por mais tempo pode permitir otimizações que não seriam possíveis depois que o problema fosse completamente reduzido ao nível dos qubits.
Exemplo de profundidade constante
A IBM apresenta um modelo de Fermi-Hubbard unidimensional para ilustrar a ideia. No exemplo, os termos de movimento são agrupados em “grupos de fluxo” antes da conversão para qubits. Com a adição de um único qubit auxiliar, um grupo completo de termos de transferência de partículas pode ser convertido em operações de um qubit, em vez de ser executado por várias portas de emaranhamento.
De acordo com a medição apresentada no anúncio, a profundidade das portas de dois qubits permaneceu constante em 12 quando o modelo aumentou de quatro locais para 100 locais. Em comparação, a abordagem tradicional baseada em Jordan-Wigner e na discretização temporal ingênua alcançou profundidade 407 em 100 locais. A IBM esclarece que esse exemplo exige uma codificação personalizada, enquanto o pacote também fornece um passe de pré-processamento baseado em Jordan-Wigner para simplificar os usos comuns.
Seu lugar no ecossistema Qiskit
O Qiskit Fermions integra-se ao ffsim, um simulador de alto desempenho capaz de executar alguns circuitos no nível fermiônico com maior eficiência quando o circuito preserva o número de partículas. Os circuitos resultantes também podem ser usados com o complemento SQD, que processa amostras obtidas do hardware quântico para estimar autovalores, como a energia fundamental de uma molécula.
Atualmente, o pacote inclui uma interface Python para circuitos fermiônicos e recursos de síntese, enquanto a IBM planeja oferecer suporte a C em uma versão futura. A empresa também aponta planos para conectar a ferramenta mais profundamente a softwares de química e ciência dos materiais e possibilitar a transferência da biblioteca de circuitos para Rust e, depois, para C, à medida que evolui o suporte do Qiskit a portas e tipos de circuitos personalizados.
Por que este anúncio é importante?
A mudança prática não consiste apenas em um novo simulador, mas em fornecer uma camada de software que separa a descrição do problema fermiônico do método de sua execução nos qubits. Isso pode dar aos pesquisadores mais espaço para testar novas codificações e algoritmos sem reconstruir os circuitos manualmente. No entanto, os resultados de profundidade constante apresentados dizem respeito a um exemplo de Fermi-Hubbard e a uma codificação baseada em grupos de fluxo, e não comprovam automaticamente uma melhoria semelhante para todos os problemas de química ou materiais. Além disso, alguns recursos ainda estão limitados ao Python, o que faz com que o alcance da integração com os softwares científicos atuais dependa da evolução das interfaces C planejadas.
O pacote já está disponível como um projeto de código aberto, juntamente com a documentação e os exemplos dos modelos de Fermi-Hubbard unidimensional e bidimensional, um repositório no GitHub e artigos de pesquisa relacionados às codificações de grupos de fluxo.