De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da IBM Quantum lançaram a biblioteca Python de código aberto ffsim, projetada especificamente para a simulação clássica eficiente de circuitos quânticos fermiônicos, visando fornecer ferramentas mais rápidas de verificação e benchmarking para a comunidade de informação quântica.
Ao contrário dos simuladores de circuitos quânticos de uso geral, que dependem do armazenamento do vetor de estado completo, o ffsim utiliza as simetrias estritamente conservadas do número total de partículas e da componente z do spin (Sz) em sistemas físicos, comprimindo drasticamente o espaço computacional. Enquanto um simulador de uso geral precisa manter um vetor complexo de dimensão 2n para circuitos de n qubits, o ffsim, para 2N orbitais de spin, rastreia apenas estados que contêm um número fixo de elétrons com spin para cima (Nα) e elétrons com spin para baixo (Nβ), reduzindo significativamente o fator numérico pré-exponencial.
Esse impacto de engenharia é evidenciado no benchmark do modelo Hubbard bidimensional em uma configuração de rede 4×8. Nesse modelo, o mapeamento padrão de férmions para qubits resulta em um circuito de 64 qubits. Um simulador de vetor de estado de uso geral exigiria cerca de 256 exabytes (EiB) de memória para executar este modelo, enquanto o ffsim, com preenchimento de 1/8, comprime o vetor de estado ativo para 19,3 gigabytes (GiB), permitindo que pesquisadores realizem simulações precisas em uma única estação de trabalho clássica.
A biblioteca é baseada em um paradigma de programação funcional, usando arrays NumPy para armazenar e evoluir funções de onda fermiônicas. Ela integra um backend otimizado, suporta um conjunto de portas que preservam o número de partículas e inclui interfaces nativas com os ecossistemas Qiskit e PySCF. Através da camada de compilação do Qiskit, o ffsim também pode atuar como backend de simulação para qualquer circuito quântico de qubits arbitrários composto por portas que preservam o peso de Hamming (Hamming weight-preserving gates).
A equipe de desenvolvimento realizou benchmarks de desempenho do ffsim em comparação com o Simulador Quântico Fermiônico (FQE) e o Qiskit Aer. Em um MacBook M1 de thread único, testes de evolução temporal trotterizada do Hamiltoniano molecular na representação de fatoração dupla mostraram que o ffsim é 11 vezes mais rápido que o FQE na simulação, com aceleração de 2,4 vezes na evolução do Hamiltoniano quadrático e 8,4 vezes na ação do operador do Hamiltoniano molecular. Quando a escala do sistema foi expandida para 16 orbitais (32 qubits), o Qiskit Aer não conseguiu processar devido a limitações de memória clássica, enquanto o ffsim continuou operando. Um preprint técnico detalhado foi publicado no arXiv, e o código-fonte e tutoriais relacionados estão disponíveis no repositório GitHub da Comunidade Qiskit. O IBM Quantum Blog também publicou uma visão geral da integração da biblioteca.
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