Monitoraggio, calibrazioni e benchmarking

Calibrare un computer quantistico richiede l'ottimizzazione di una moltitudine di parametri che definiscono i segnali elettrici che azionano i gate quantistici e le operazioni di readout. Prima che un computer quantistico venga rilasciato, il suo processo di calibrazione iniziale prevede la messa a punto approfondita di ogni parametro per ottenere le migliori prestazioni possibili sulla base di benchmark rilevanti per i carichi di lavoro previsti dal computer quantistico. Una volta rilasciato un computer quantistico, l'obiettivo principale è mantenere prestazioni costanti per tutta la durata del dispositivo. I valori ottimali di molti dei parametri calibrati rimangono stabili indefinitamente, ma alcuni variano nel tempo a causa di fattori come cambiamenti nell'ambiente dei sistemi a due livelli (TLS) sul chip del processore quantistico, cambiamenti nelle condizioni ambientali (ad esempio, la temperatura) nel data center, o instabilità all'interno dei sistemi di controllo.

Per garantire prestazioni costanti, i computer quantistici IBM® vengono monitorati frequentemente per tracciare i parametri che potrebbero derivare nel tempo, eseguire calibrazioni quando necessario e effettuare benchmarking quotidiani. Questa pagina descrive tre processi — monitoraggio, calibrazione e benchmarking — che lavorano insieme per garantire che la flotta IBM di computer quantistici rimanga il più stabile, prevedibile e disponibile possibile per gli utenti.

Monitoraggio

Monitoraggio dei parametri

Brevi job di monitoraggio dei parametri vengono eseguiti circa una volta all'ora, automaticamente intercalati tra i job degli utenti, utilizzando lo stack software completo di Qiskit Runtime. I risultati di questi job vengono analizzati per verificare se eventuali parametri hanno iniziato a deviare dagli intervalli accettabili, idealmente rilevando i problemi prima che diventino abbastanza significativi da influenzare le prestazioni a un livello percettibile.

Alcuni dei parametri monitorati includono:

• Angoli di readout, ampiezze e soglia del discriminatore, che garantiscono una corretta discriminazione degli stati, bassa perdita e funzionamento stabile. Questo include i parametri operativi dei nostri amplificatori a limite quantistico.
• Operazioni di gate a singolo e doppio qubit, confermando che si comportino come previsto per mantenere angoli di rotazione corretti e ridurre al minimo gli errori di fase e ampiezza.
• Segnature di attività TLS.

Se i risultati di questi job di monitoraggio indicano deviazioni modeste dalle prestazioni attese, vengono avviati i job di calibrazione appropriati. Se viene rilevata un'attività TLS grave, la strategia di calibrazione per i gate associati ai qubit interessati potrebbe essere modificata automaticamente (e potrebbe includere la pausa delle calibrazioni) finché tale attività TLS non diminuisce fino a livelli accettabili.

Monitoraggio olistico

Oltre ai job che monitorano i singoli parametri, ci sono job che monitorano le prestazioni del computer quantistico in modo più olistico, come test che esaminano la fedeltà degli stati di Bell generati, nonché test di gate frazionari e circuiti dinamici su computer quantistici che supportano tali funzionalità. L'obiettivo di questi test, che vengono anch'essi eseguiti attraverso lo stack completo di Qiskit Runtime intercalati con i job degli utenti, è di validare in modo efficiente il comportamento complessivo dell'hardware e del software. Se questi test rilevano una caduta significativa delle prestazioni, il computer quantistico metterà automaticamente in pausa la coda dei job finché il problema non sarà risolto, garantendo che i job degli utenti non vengano eseguiti finché il dispositivo non tornerà a funzionare come previsto.

Calibrazione

Le calibrazioni vengono attivate ogni volta che i job di monitoraggio indicano che parametri come le ampiezze o gli angoli degli impulsi si sono discostati dai loro valori ideali. Vengono eseguiti durante tutto il giorno tra i job degli utenti, e quindi non c'è un periodo di tempo fisso in cui le calibrazioni iniziano e finiscono. Vengono eseguiti solo sui qubit/gate per i quali il monitoraggio dei parametri ha identificato problemi specifici, insieme a tutti i qubit necessari per essere eseguiti contemporaneamente secondo specifiche regole di batching. Sui QPU Heron, il tempo totale trascorso nelle calibrazioni è tipicamente inferiore a due ore al giorno.

Operazioni a singolo qubit

Queste calibrazioni garantiscono un'implementazione accurata dei gate a singolo qubit: sx, x, rx (frazionario). Regoliamo:

• Frequenze dei qubit
• Ampiezze e fasi degli impulsi

Queste calibrazioni vengono raggruppate in batch sui qubit interessati ed eseguite in modo concorrente ove appropriato, con strategie di batching adattate a ciascun tipo di calibrazione.

Operazioni a due qubit

• Ampiezze e fasi dei gate CZ e RZZ (per i processori Heron e Nighthawk)
• Ampiezze e fasi del gate ECR (per i processori Eagle)

Queste calibrazioni vengono eseguite in batch di qubit non adiacenti per ridurre al minimo il crosstalk.

Readout

• Angoli degli impulsi di readout
• Parametri di discriminazione delle misure

Queste calibrazioni vengono eseguite simultaneamente sui qubit che richiedono calibrazione.

Come vengono pianificate le calibrazioni

• Un job di calibrazione non può essere eseguito simultaneamente mentre è in esecuzione un job o una session.
• Pertanto, durante le session lunghe, il computer quantistico potrebbe subire una ridotta stabilità effettiva a causa di ricalibrazione ritardata o infrequente.
• Due job inviati contemporaneamente potrebbero essere eseguiti con set di calibrazione diversi, a seconda della tempistica.

Benchmarking

Il benchmarking giornaliero fornisce una visione completa delle prestazioni del computer quantistico e genera le metriche inviate agli utenti attraverso Qiskit. Aiutano gli utenti a scegliere i qubit, ottimizzare le compilazioni e anticipare meglio le prestazioni attese dei circuiti. Puoi visualizzare i numeri riportati sia in modo programmatico che nella pagina Risorse di calcolo (clicca su un QPU qualsiasi per aprire la sua scheda informativa dettagliata). Trova maggiori dettagli su ogni metrica nella documentazione.

Deriva del dispositivo

L'impatto della deriva del dispositivo (prestazioni hardware che degradano nel tempo) dipende da molti fattori, come il momento dell'ultima calibrazione, l'esperimento specifico eseguito, eventuali attività TLS e così via. Se un particolare carico di lavoro è molto sensibile ai valori di errore dei parametri del dispositivo, puoi eseguire un benchmarking in tempo reale dei parametri del dispositivo seguendo questo tutorial in IBM Quantum Learning.

Prestazioni a singolo qubit

• Randomized benchmarking (RB) in gruppi in batch
• Tempi di coerenza per $T_1$ e $T_2$
• Metriche di fedeltà delle misure

Prestazioni a due qubit

• EPG dei gate frazionari CZ e RZZ (Heron), ECR (Eagle) come misurato da RB su quei gate

Metriche a livello di sistema

• Fedeltà dei layer (EPLG), per la migliore stringa di 100 qubit