Monitorizare, calibrări și benchmarking

Calibrarea unui calculator cuantic necesită optimizarea unei multitudini de parametri care definesc semnalele electrice ce acționează Gate-urile cuantice și operațiile de citire. Înainte ca un calculator cuantic să fie lansat, procesul său de calibrare inițială implică ajustarea minuțioasă a fiecărui parametru pentru a obține cea mai bună performanță posibilă pe baza benchmark-urilor relevante pentru volumele de lucru anticipate ale calculatorului cuantic. Odată ce un calculator cuantic a fost lansat, obiectivul principal este menținerea unei performanțe constante pe durata de viață a dispozitivului. Valorile optime ale multor parametri calibrați rămân stabile pe termen nelimitat, dar unele variază în timp ca urmare a unor factori precum schimbările în mediul sistemelor cu două niveluri (TLS) de pe cipul procesorului cuantic, schimbările condițiilor ambientale (de exemplu, temperatura) din centrul de date sau instabilitatea sistemelor de control.

Pentru a asigura o performanță constantă, calculatoarele cuantice IBM® sunt monitorizate frecvent pentru a urmări parametrii care pot deriva în timp, rulează calibrări atunci când este necesar și efectuează benchmarking zilnic. Această pagină detaliază trei procese — monitorizare, calibrare și benchmarking — care lucrează împreună pentru a asigura că flota IBM de calculatoare cuantice rămâne cât mai stabilă, predictibilă și disponibilă pentru utilizatori.

Monitorizare

Monitorizarea parametrilor

Sarcini scurte de monitorizare a parametrilor sunt executate aproximativ o dată pe oră, intercalate automat între sarcinile utilizatorilor, folosind întregul stec de software Qiskit Runtime. Rezultatele acestor sarcini sunt analizate pentru a verifica dacă vreun parametru a început să devieze de la intervalele acceptabile, identificând ideal problemele înainte ca acestea să devină suficient de semnificative pentru a afecta performanța la un nivel perceptibil.

Unii dintre parametrii monitorizați includ următorii:

• Unghiuri de citire, amplitudini și pragul discriminatorului, asigurând o discriminare precisă a stărilor, pierderi mici și funcționare stabilă. Aceasta include parametrii operaționali ai amplificatoarelor noastre cu limită cuantică.
• Operații Gate single- și cu două qubit-uri, confirmând că se comportă conform așteptărilor pentru a menține unghiuri de rotație corecte și a minimiza erorile de fază și amplitudine.
• Semnături ale activității TLS.

Dacă rezultatele acestor sarcini de monitorizare indică abateri modeste față de performanța așteptată, atunci sunt lansate sarcini de calibrare corespunzătoare. Dacă se detectează activitate TLS severă, strategia de calibrare pentru Gate-urile asociate cu qubit-urile afectate ar putea fi modificată automat (și ar putea include suspendarea calibrărilor) până când activitatea TLS revine la niveluri acceptabile.

Monitorizare holistică

Pe lângă sarcinile care monitorizează parametri individuali, există sarcini care monitorizează performanța calculatorului cuantic mai holistic, cum ar fi testele care analizează fidelitatea stărilor Bell generate, precum și teste ale Gate-urilor fracționale și ale Circuit-urilor dinamice pe calculatoarele cuantice care suportă aceste funcționalități. Scopul acestor teste, care rulează, de asemenea, prin întregul stec Qiskit Runtime intercalat cu sarcinile utilizatorilor, este de a valida eficient comportamentul general al hardware-ului și software-ului. Dacă aceste teste detectează o scădere semnificativă a performanței, calculatorul cuantic va suspenda automat coada de sarcini până când problema este rezolvată, asigurând că sarcinile utilizatorilor nu vor rula până când dispozitivul funcționează din nou conform așteptărilor.

Calibrare

Calibrările sunt declanșate ori de câte ori sarcinile de monitorizare indică faptul că parametri precum amplitudinile pulsurilor sau unghiurile au deviat de la valorile lor ideale. Ele rulează pe parcursul zilei între sarcinile utilizatorilor, prin urmare nu există o perioadă de timp fixă la care calibrările încep și se termină. Acestea rulează doar pe qubit-urile/Gate-urile pentru care monitorizarea parametrilor a identificat probleme specifice, împreună cu orice qubit-uri necesare să ruleze în același timp conform regulilor specifice de grupare. Pe QPU-urile Heron, timpul total petrecut cu calibrările este de obicei sub două ore pe zi.

Operații single-Qubit

Aceste calibrări asigură implementarea precisă a Gate-urilor single-Qubit: sx, x, rx (fracțional). Ajustăm:

• Frecvențele qubit-urilor
• Amplitudinile și fazele pulsurilor

Aceste calibrări sunt grupate pe qubit-urile afectate și executate concurent unde este cazul, cu strategii de grupare adaptate fiecărui tip de calibrare.

Operații cu două qubit-uri

• Amplitudinile și fazele Gate-urilor CZ și RZZ (pentru procesoarele Heron și Nighthawk)
• Amplitudinile și fazele Gate-ului ECR (pentru procesoarele Eagle)

Aceste calibrări sunt rulate în loturi de qubit-uri non-nearest-neighbor pentru a minimiza crosstalk-ul.

Citire

• Unghiurile pulsurilor de citire
• Parametrii de discriminare a măsurătorilor

Aceste calibrări sunt rulate simultan pe qubit-urile care necesită calibrare.

Cum sunt programate calibrările

• O sarcină de calibrare nu poate rula simultan în timp ce rulează o sarcină sau o sesiune.
• Prin urmare, în timpul sesiunilor lungi, calculatorul cuantic poate experimenta o stabilitate efectivă redusă din cauza recalibrării întârziate sau infrequente.
• Două sarcini trimise în același timp ar putea rula sub seturi de calibrare diferite, în funcție de sincronizare.

Benchmarking

Benchmarking-ul zilnic oferă o imagine cuprinzătoare a performanței calculatorului cuantic și generează valorile transmise utilizatorilor prin Qiskit. Ele îi ajută pe utilizatori să aleagă qubit-uri, să optimizeze compilările și să anticipeze mai bine performanța așteptată a Circuit-urilor. Puteți vizualiza numerele raportate fie programatic, fie pe pagina Resurse de calcul (faceți clic pe orice QPU pentru a deschide cardul cu informații detaliate). Găsiți mai multe detalii despre fiecare metrică în documentație.

Derivă dispozitiv

Impactul derivei dispozitivului (performanța hardware-ului care se degradează în timp) depinde de mulți factori, cum ar fi momentul în care calibrările au fost rulate ultima dată, experimentul specific efectuat, orice activitate TLS și așa mai departe. Dacă o anumită sarcină de lucru este foarte sensibilă la valorile de eroare ale parametrilor dispozitivului, puteți efectua un benchmarking în timp real al parametrilor dispozitivului urmând acest tutorial în IBM Quantum Learning.

Performanța single-Qubit

• Randomized benchmarking (RB) în grupuri grupate
• Timpii de coerență pentru $T_1$ și $T_2$
• Metrici de fidelitate a măsurătorilor

Performanța cu două qubit-uri

• EPG Gate fracțional CZ și RZZ (Heron), ECR (Eagle) măsurat prin RB pe acele Gate-uri

Metrici la nivel de sistem

• Fidelitatea stratului (EPLG), pentru cel mai bun șir de 100 de qubit-uri