Monitorowanie, kalibracja i benchmarking

Kalibracja komputera kwantowego wymaga optymalizacji mnóstwa parametrów definiujących sygnały elektryczne sterujące bramkami kwantowymi i operacjami odczytu. Przed wprowadzeniem komputera kwantowego do użytku jego wstępny proces kalibracji polega na dokładnym dostrojeniu każdego parametru w celu osiągnięcia jak najlepszej wydajności na podstawie wskaźników benchmarkowych odpowiednich dla spodziewanych obciążeń komputera kwantowego. Po udostępnieniu komputera kwantowego głównym celem jest utrzymanie stałej wydajności przez cały czas użytkowania urządzenia. Optymalne wartości wielu kalibrowanych parametrów pozostają stabilne bezterminowo, jednak niektóre zmieniają się w czasie w wyniku takich czynników, jak zmiany w otoczeniu układów dwupoziomowych (TLS) na chipie procesora kwantowego, zmiany warunków otoczenia (na przykład temperatury) w centrum danych lub niestabilność systemów sterujących.

Aby zapewnić stałą wydajność, komputery kwantowe IBM® są często monitorowane pod kątem parametrów, które mogą dryfować w czasie, a w razie potrzeby przeprowadzane są kalibracje i codzienny benchmarking. Ta strona opisuje trzy procesy — monitorowanie, kalibrowanie i benchmarking — które współdziałają, aby zapewnić, że flota komputerów kwantowych IBM pozostaje możliwie stabilna, przewidywalna i dostępna dla użytkowników.

Monitoruj

Monitoruj parametry

Krótkie zadania monitorowania parametrów są wykonywane mniej więcej co godzinę, automatycznie przeplatane między zadaniami użytkowników, z wykorzystaniem pełnego stosu oprogramowania IBM Quantum Compute Service. Wyniki tych zadań są analizowane w celu sprawdzenia, czy jakiekolwiek parametry zaczęły odbiegać od dopuszczalnych zakresów — najlepiej wychwytując problemy, zanim staną się na tyle poważne, aby zauważalnie wpłynąć na wydajność.

Niektóre z monitorowanych parametrów obejmują:

• Kąty odczytu, amplitudy i próg dyskryminatora, zapewniające dokładne rozróżnianie stanów, niski przeciek i stabilne działanie. Obejmuje to parametry operacyjne naszych wzmacniaczy kwantowo ograniczonych.

• Operacje jednoQubitowych i dwuQubitowych Gate'ów, potwierdzające, że działają zgodnie z oczekiwaniami, zachowując właściwe kąty obrotu i minimalizując błędy fazy i amplitudy.

• Sygnały aktywności TLS.

Jeśli wyniki tych zadań monitorowania wskazują na umiarkowane odchylenia od oczekiwanej wydajności, uruchamiane są odpowiednie zadania kalibracyjne. W przypadku wykrycia poważnej aktywności TLS strategia kalibracji Gate'ów związanych z dotkniętymi Qubitami może być automatycznie modyfikowana (i może obejmować wstrzymanie kalibracji) do czasu, aż aktywność TLS spadnie do dopuszczalnego poziomu.

Monitoruj całościowo

Obok zadań monitorujących poszczególne parametry działają zadania monitorujące wydajność komputera kwantowego w sposób bardziej holistyczny — na przykład testy sprawdzające wierność generowanych stanów Bella, a także testy ułamkowych Gate'ów i dynamicznych Circuit'ów na komputerach kwantowych obsługujących te funkcje. Celem tych testów, które również działają przez pełny stos Quantum Compute przeplatany z zadaniami użytkowników, jest wydajne sprawdzanie ogólnego zachowania sprzętu i oprogramowania. Jeśli testy te wykryją znaczny spadek wydajności, komputer kwantowy automatycznie wstrzyma kolejkę zadań do czasu rozwiązania problemu, zapewniając, że zadania użytkowników nie zostaną uruchomione, dopóki urządzenie nie będzie działać zgodnie z oczekiwaniami.

Kalibruj

Kalibracje są wyzwalane, gdy zadania monitorowania wskazują, że parametry takie jak amplitudy impulsów lub kąty odchyliły się od swoich idealnych wartości. Działają przez cały dzień pomiędzy zadaniami użytkowników, dlatego nie ma ustalonego przedziału czasowego, w którym kalibracje się zaczynają i kończą. Są uruchamiane tylko na Qubitach/Gate'ach, dla których monitorowanie parametrów zidentyfikowało konkretne problemy, wraz z wszystkimi Qubitami wymaganymi do jednoczesnego działania zgodnie ze specyficznymi regułami grupowania. Na QPU Heron łączny czas poświęcony na kalibracje wynosi zazwyczaj mniej niż dwie godziny dziennie.

Operacje jednoQubitowe

Te kalibracje zapewniają dokładną implementację jednoQubitowych Gate'ów: sx, x, rx (ułamkowe). Dostosowujemy:

• Częstotliwości Qubitów

• Amplitudy i fazy impulsów

Te kalibracje są grupowane na dotkniętych Qubitach i wykonywane równolegle tam, gdzie to możliwe, a strategie grupowania są dostosowane do każdego rodzaju kalibracji.

Operacje dwuQubitowe

• Amplitudy i fazy Gate'ów CZ i RZZ (dla procesorów Heron i Nighthawk)

• Amplitudy i fazy Gate'ów ECR (dla procesorów Eagle)

Te kalibracje są uruchamiane partiami na Qubitach niebędących najbliższymi sąsiadami, aby zminimalizować przesłuch.

Odczyt

• Kąty impulsu odczytu

• Parametry dyskryminacji pomiarowej

Te kalibracje są uruchamiane jednocześnie na Qubitach wymagających kalibracji.

Jak kalibracje są planowane

• Zadanie kalibracyjne nie może być uruchomione jednocześnie z zadaniem lub sesją.

• Dlatego podczas długich sesji komputer kwantowy może doświadczać zmniejszonej efektywnej stabilności z powodu opóźnionych lub rzadkich kalibracji.

• Dwa zadania przesłane jednocześnie mogą działać z różnymi zestawami kalibracji, w zależności od czasu.

Benchmarking

Codzienny benchmarking zapewnia kompleksowy obraz wydajności komputera kwantowego i generuje wskaźniki przekazywane użytkownikom przez Qiskit (na przykład w backend.properties()). Pomagają one użytkownikom wybierać kubity, optymalizować kompilacje i lepiej przewidywać oczekiwaną wydajność obwodów. Zgłoszone wartości możesz wyświetlić programowo za pomocą Qiskit lub na stronie Zasoby obliczeniowe (kliknij dowolny QPU, aby otworzyć jego szczegółową kartę informacyjną). Więcej szczegółów o każdym wskaźniku znajdziesz w przewodniku QPU information.

Metryki benchmarkingu i charakteryzacji a parametry kalibracji

Parametry sterowania urządzeniem używane do obsługi QPU (takie jak amplitudy impulsów, fazy, częstotliwości, kąty odczytu i parametry dyskryminacji) nie są publikowane bezpośrednio w backend.properties(). Zamiast tego backend.properties() raportuje wyniki okresowych procedur benchmarkingu (w tym pomiary charakteryzacyjne, takie jak $T_1$ i $T_2$, a także współczynniki błędów bramek i błędy odczytu), przy czym każda właściwość jest sparowana ze znacznikiem czasu jej pomiaru.

Atrybut last_update_date w backend.properties() (wyświetlany jako znacznik czasu „ostatniej kalibracji” w IBM Quantum Platform) rejestruje, kiedy ostatnio zaktualizowano kalibracje urządzenia. Ponieważ kalibracje są uruchamiane dynamicznie w ciągu dnia, last_update_date jest aktualizowany przy każdej kalibracji, niezależnie od znaczników czasu benchmarków poszczególnych właściwości.

Dryft urządzenia

Wpływ dryfu urządzenia (degradacja wydajności sprzętu w czasie) zależy od wielu czynników, takich jak czas ostatniego uruchomienia kalibracji, konkretny przeprowadzony eksperyment, wszelka aktywność TLS i tak dalej. Jeśli dane obciążenie jest bardzo wrażliwe na wartości błędów parametrów urządzenia, możesz przeprowadzić benchmarking parametrów urządzenia w czasie rzeczywistym, postępując zgodnie z tym samouczkiem w IBM Quantum Learning.

Wydajność jednoQubitowa

• Randomizowany benchmarking (RB) w grupach partyjnych

• Czasy koherencji dla $T_1$ i $T_2$

• Wskaźniki wierności pomiarowej

Wydajność dwuQubitowa

• CZ i RZZ ułamkowy EPG Gate'ów (Heron), ECR (Eagle) mierzony przez RB na tych bramka'ach

Wskaźniki na poziomie systemu

• Wierność warstwy (EPLG), dla najlepszego łańcucha 100 Qubitów