fr.wedoany.com Rapport : Les chercheurs d'IBM Quantum ont dévoilé ffsim, une bibliothèque Python open source conçue pour la simulation classique efficace des circuits quantiques fermioniques, offrant à la communauté de l'information quantique des outils de vérification et de référencement plus rapides.
Contrairement aux simulateurs de circuits quantiques universels qui reposent sur le stockage de vecteurs d'état complets, ffsim exploite les symétries strictement conservées du nombre total de particules et de la composante z du spin (Sz) dans les systèmes physiques, réduisant considérablement l'espace de calcul. Un simulateur universel doit maintenir un vecteur complexe de dimension 2n pour un circuit à n qubits, tandis que ffsim, pour 2N orbitales de spin, ne suit que les états contenant un nombre fixe d'électrons à spin up (Nα) et d'électrons à spin down (Nβ), réduisant ainsi significativement le facteur numérique.
Cet impact technique est illustré par les tests de référence du modèle Hubbard bidimensionnel sur une configuration de réseau 4×8. Dans ce modèle, la cartographie standard des fermions en qubits se traduit par un circuit à 64 qubits. Un simulateur universel de vecteurs d'état nécessite environ 256 exaoctets (Eio) de mémoire pour exécuter ce modèle, tandis que ffsim, avec un remplissage à 1/8, comprime le vecteur d'état actif à 19,3 gigaoctets (Gio), permettant aux chercheurs d'effectuer des simulations précises sur une seule station de travail classique de bureau.
La bibliothèque est basée sur un modèle de programmation fonctionnelle, utilise des tableaux NumPy pour stocker et faire évoluer les fonctions d'onde fermioniques, intègre un backend optimisé, prend en charge un ensemble de portes conservant le nombre de particules, et inclut des interfaces natives avec les écosystèmes Qiskit et PySCF. Via la couche de compilation Qiskit, ffsim peut également servir de backend de simulation pour tout circuit quantique arbitraire composé de portes conservant le poids de Hamming.
L'équipe de développement a comparé les performances de ffsim avec le simulateur fermionique quantique (FQE) et Qiskit Aer. Sur un MacBook M1 monothread, les tests d'évolution temporelle trottérisée de l'hamiltonien moléculaire dans une représentation à double factorisation montrent que ffsim est 11 fois plus rapide que FQE, avec une accélération de 2,4 fois pour l'évolution de l'hamiltonien quadratique et de 8,4 fois pour l'action de l'opérateur hamiltonien moléculaire. Lorsque la taille du système est étendue à 16 orbitales (32 qubits), Qiskit Aer ne peut pas traiter la simulation en raison des limites de mémoire classique, tandis que ffsim reste opérationnel. Un préprint technique détaillé a été publié sur arXiv, le code et les tutoriels associés sont disponibles dans le dépôt GitHub de la communauté Qiskit, et le blog IBM Quantum a également publié un aperçu de l'intégration de cette bibliothèque.
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