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Confrontare la fedeltà del processo QFT+M con Orbit, una Qiskit Function di Quantum Elements

Stima di utilizzo: 2 minuti su un processore Heron r3. (NOTA: questa è solo una stima. Il tuo runtime potrebbe variare.) Per impostazione predefinita, questo tutorial invia tre job della funzione Orbit in un unico carico di lavoro in modalità batch di IBM Quantum Compute Service, con 300 PUB per job, per un totale di 900 PUB e 921.600 shot.

Avviso: I circuiti dinamici sono attualmente una funzionalità sperimentale e sono soggetti a limitazioni in Quantum Compute [3] che potrebbero causare fallimenti dei job. Ad esempio, l'errore 6073 indica che un job ha superato il limite di memoria dell'hardware di controllo classico [4]. Questo notebook riduce tale rischio suddividendo le dimensioni dei circuiti tra tre job Quantum Compute in un unico batch [5]. Ogni confronto a dimensione fissa rimane in un unico job, mentre le dimensioni grandi e piccole sono accoppiate per bilanciare i carichi di lavoro di controllo classico dei job.

Risultati di apprendimento

  • Preparare gli stati prodotto QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle usati dallo stimatore di fedeltà di processo campionato nella Figura 2a del Rif. [1].

  • Costruire implementazioni unitarie e dinamiche equivalenti della trasformata quantistica di Fourier seguita da misura (QFT+M).

  • Selezionare i qubit fisici per i circuiti dinamici usando i dati attuali di calibrazione e connettività.

  • Confrontare le stime di fedeltà del processo QFT+M unitarie grezze, dinamiche grezze e dinamiche potenziate da Orbit al crescere della dimensione del circuito.

  • Usare l'API di transpilazione semplificata di Orbit con mode="raw" e transpilation_mode="validate".

  • Inviare più carichi di lavoro Orbit tramite l'API in modalità batch mantenendo ogni confronto a tre strategie a dimensione fissa in un unico job.

  • Ispezionare i metadati di Orbit per confermare se sono state applicate il disaccoppiamento dinamico (DD) e la mitigazione dell'errore di misura (MEM).

Contesto

La Figura 2a del Rif. [1] confronta la fedeltà di processo del canale QFT+M ideale rispetto a implementazioni unitarie e dinamiche rumorose. Per un'etichetta di base computazionale xx campionata, il benchmark prepara QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle, applica l'implementazione QFT+M rumorosa e stima la probabilità pxp_x di ottenere l'output ideale corrispondente. Questi stati QFT inversi sono separabili e possono essere preparati efficientemente con porte di Hadamard e rotazioni di fase virtuali.

Per mm etichette campionate in modo indipendente, il notebook usa lo stimatore non distorto derivato nel Rif. [1]:

F^proc=mm1(1m=1mpx)21m(m1)=1mpx.\widehat{\mathcal{F}}_{\mathrm{proc}} = \frac{m}{m-1}\left(\frac{1}{m}\sum_{\ell=1}^{m}\sqrt{p_{x_\ell}}\right)^2 - \frac{1}{m(m-1)}\sum_{\ell=1}^{m}p_{x_\ell}.

La costruzione dinamica sostituisce le porte a fase controllata della QFT+M unitaria con misure a metà circuito e rotazioni di fase condizionate classicamente [1]. Per misura differita, entrambi i circuiti hanno la stessa distribuzione di output ideale. La forma dinamica elimina il requisito di porte a due qubit tutti-contro-tutti e utilizza invece O(n)O(n) misure a metà circuito con feedforward e nessun vincolo di connettività. Misura e feedforward lasciano anche lunghi periodi di inattività sui qubit non ancora misurati, rendendo il DD particolarmente rilevante.

Relazione con la Figura 2a. Questo notebook segue il protocollo di fedeltà di processo campionato dell'articolo, ma è un adattamento tutorial incentrato su Orbit piuttosto che una riproduzione. Ad esempio, mentre la Figura 2a usava ibm_kyiv con 2000 shot, noi usiamo un dispositivo moderno ibm_aachen con un conteggio più piccolo di 1024 shot per preservare tempo di QPU.

Risultati di esempio

Il grafico statico sottostante mostra le curve medie di fedeltà del processo di tre job di sviluppo consecutivi eseguiti su ibm_aachen con il processo descritto di seguito. Come dimostrato qui, Orbit può aumentare notevolmente la qualità dei circuiti dinamici; la QFT dinamica corrisponde alla qualità del benchmark pubblicato e mostra un miglioramento rispetto alla QFT unitaria standard. Come vedremo, questi risultati derivano da una buona scelta automatizzata dei qubit, dall'inserimento automatico del disaccoppiamento dinamico (non ottimizzato manualmente per questo problema) e dalla mitigazione dell'errore di misura. Per divertimento, assicurati di confrontare questi risultati con i tuoi risultati alla fine, specialmente se scegli un backend diverso.

Nota: Questi risultati sono un'istantanea illustrativa di un'esecuzione precedente riuscita con Orbit, non una garanzia di prestazioni. I risultati seguenti dovrebbero apparire qualitativamente simili, ma i dettagli specifici dipendono dal dispositivo scelto e dalle sue proprietà, in particolare dagli errori di misura e di inattività, al momento dell'esecuzione. Fedeltà del processo QFT su 'ibm_aachen'

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q matplotlib numpy qiskit qiskit-ibm-catalog qiskit-ibm-runtime

Requisiti

Installa le versioni più recenti dei seguenti pacchetti prima di eseguire questo tutorial:

  • numpy

  • matplotlib

  • qiskit

  • qiskit-ibm-runtime

  • qiskit-ibm-catalog

pip install qiskit qiskit-ibm-runtime qiskit-ibm-catalog numpy matplotlib

Configurazione

Autenticati con IBM Quantum® Platform, carica ibm_aachen e carica Quantum Elements Orbit dal Catalogo delle Qiskit Functions. Lo sweep predefinito valuta 15 dimensioni di circuito, 20 stringhe di bit campionate per dimensione e tre strategie. NUM_BATCH_JOBS=3 suddivide le dimensioni tra tre job in un unico batch. Riduci N_VALUES o M, oppure aumenta NUM_BATCH_JOBS, se un singolo job di circuito dinamico raggiunge ancora il limite di memoria di controllo classico del backend. Riduci SHOTS quando l'obiettivo è ridurre l'utilizzo di esecuzione piuttosto che il numero o la complessità dei circuiti.

import warnings
from collections import Counter, defaultdict

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from qiskit import (
ClassicalRegister,
QuantumCircuit,
QuantumRegister,
transpile,
)
from qiskit.circuit import IfElseOp
from qiskit.synthesis.qft import synth_qft_full
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog
from qiskit_ibm_runtime import Batch, QiskitRuntimeService

IBM_BACKEND_NAME = "ibm_aachen"

N_VALUES = [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40]
M = 20
SHOTS = 1024
RNG_SEED = 12345
OPTIMIZATION_LEVEL = 0
NUM_BATCH_JOBS = 3
STRATEGY_LABELS = ("unitary/raw", "dynamic/raw", "dynamic/orbit")

def balanced_n_groups(
n_values: list[int], num_jobs: int = 3
) -> list[list[int]]:
values = sorted(n_values)
if len(set(values)) != len(values):
raise ValueError("N_VALUES must not contain duplicates")
if not 1 <= num_jobs <= len(values):
raise ValueError("NUM_BATCH_JOBS must be between 1 and len(N_VALUES)")

max_group_size = (len(values) + num_jobs - 1) // num_jobs
groups = [[] for _ in range(num_jobs)]
loads = [0] * num_jobs
pair_counts = [0] * num_jobs
remaining = values.copy()

while len(remaining) >= 2:
candidates = [
i
for i, group in enumerate(groups)
if len(group) + 2 <= max_group_size
]
if not candidates:
break
smallest = remaining.pop(0)
largest = remaining.pop()
job_index = min(
candidates, key=lambda i: (loads[i], len(groups[i]), i)
)
pair = (
[largest, smallest]
if pair_counts[job_index] % 2 == 0
else [smallest, largest]
)
groups[job_index].extend(pair)
loads[job_index] += smallest + largest
pair_counts[job_index] += 1

while remaining:
value = remaining.pop()
candidates = [
i for i, group in enumerate(groups) if len(group) < max_group_size
]
job_index = min(
candidates, key=lambda i: (loads[i], len(groups[i]), i)
)
groups[job_index].append(value)
loads[job_index] += value

return groups

N_GROUPS = balanced_n_groups(N_VALUES, NUM_BATCH_JOBS)

service = QiskitRuntimeService(channel="ibm_quantum_platform")
backend = service.backend(IBM_BACKEND_NAME)
if "if_else" not in backend.target.operation_names:
backend.target.add_instruction(IfElseOp, name="if_else")

catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")
quantum_elements_orbit = catalog.load("quantum-elements/orbit")
if quantum_elements_orbit is None:
raise RuntimeError(
"Quantum Elements Orbit is not enabled for this IBM Quantum instance."
)

required_qubits = max(N_VALUES)
if backend.num_qubits < required_qubits:
raise ValueError(
f"Backend {backend.name} has {backend.num_qubits} qubits, "
f"but this benchmark needs at least {required_qubits}."
)

{
"backend": backend.name,
"num_qubits": backend.num_qubits,
"n_values": N_VALUES,
"m": M,
"shots": SHOTS,
"num_function_jobs": NUM_BATCH_JOBS,
"n_groups": N_GROUPS,
"pubs_per_job": [
len(group) * M * len(STRATEGY_LABELS) for group in N_GROUPS
],
"total_pubs": len(N_VALUES) * M * len(STRATEGY_LABELS),
"total_shots": len(N_VALUES) * M * len(STRATEGY_LABELS) * SHOTS,
}
qiskit_runtime_service._discover_account:WARNING:2026-07-21 15:57:39,310: Loading account with the given token. A saved account will not be used.
{'backend': 'ibm_aachen',
'num_qubits': 156,
'n_values': [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40],
'm': 20,
'shots': 1024,
'num_function_jobs': 3,
'n_groups': [[40, 2, 7, 15, 10], [35, 3, 6, 20, 9], [30, 4, 5, 25, 8]],
'pubs_per_job': [300, 300, 300],
'total_pubs': 900,
'total_shots': 921600}

Costruire circuiti QFT+M

Per ogni intero campionato xx, bit_inv_qft prepara lo stato prodotto QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle con porte di Hadamard seguite da rotazioni di fase. Il notebook aggiunge quindi la QFT unitaria standard oppure il suo equivalente QFT+M dinamico semiclassico.

Entrambe le implementazioni omettono la rete di swap finale. L'ordine di visualizzazione dei bit classici in Qiskit rende quindi la stringa misurata attesa l'inverso della rappresentazione binaria con zero-padding di xx, che è codificata da format(x, f"0{n}b")[::-1].

def bit_inv_qft(circuit: QuantumCircuit, x: int, conv: str = "LSB") -> None:
num_qubits = circuit.num_qubits
circuit.h(range(num_qubits))
for j in range(num_qubits):
phase = (
2 * np.pi * x / 2 ** (num_qubits - j)
if conv == "LSB"
else 2 * np.pi * x / 2 ** (j + 1)
)
circuit.p(-phase, j)

def build_unitary_qft_circuit(num_qubits: int, x: int) -> QuantumCircuit:
if not 0 <= x < 2**num_qubits:
raise ValueError(
f"x={x} is outside the {num_qubits}-qubit basis range"
)
qreg = QuantumRegister(num_qubits, "q")
creg = ClassicalRegister(num_qubits, "c")
circuit = QuantumCircuit(qreg, creg, name=f"unitary_qft_{num_qubits}q")
bit_inv_qft(circuit, x)
circuit.append(
synth_qft_full(num_qubits, do_swaps=False), range(num_qubits)
)
circuit.measure(range(num_qubits), range(num_qubits))
return circuit

def _warn_if_precision_loss(max_num_entanglements: int) -> None:
if max_num_entanglements > -np.finfo(float).minexp:
warnings.warn(
"precision loss in QFT."
f" The rotation needed to represent {max_num_entanglements} entanglements"
" is smaller than the smallest normal floating-point number.",
category=RuntimeWarning,
stacklevel=4,
)

def synth_dynamic_qft(
circuit: QuantumCircuit, *, do_swaps: bool = False
) -> QuantumCircuit:
num_qubits = circuit.num_qubits
creg = circuit.cregs[0]
_warn_if_precision_loss(num_qubits - 1)

for j in reversed(range(num_qubits)):
circuit.h(j)
circuit.measure([j], [j])

if j > 0:
with circuit.if_test((creg[j], 1)):
for k in reversed(range(j)):
circuit.p(np.pi * (2.0 ** (k - j)), k)

if do_swaps:
for i in range(num_qubits // 2):
circuit.swap(i, num_qubits - i - 1)
return circuit

def build_dynamic_qft_circuit(num_qubits: int, x: int) -> QuantumCircuit:
if not 0 <= x < 2**num_qubits:
raise ValueError(
f"x={x} is outside the {num_qubits}-qubit basis range"
)
qreg = QuantumRegister(num_qubits, "q")
creg = ClassicalRegister(num_qubits, "c")
circuit = QuantumCircuit(qreg, creg, name=f"dynamic_qft_{num_qubits}q")
bit_inv_qft(circuit, x)
synth_dynamic_qft(circuit, do_swaps=False)
return circuit

def target_output_bitstring(x: int, n_qubits: int) -> str:
return format(int(x), f"0{n_qubits}b")[::-1]

def process_fidelity_from_success_probabilities(
success_probabilities: list[float],
) -> float:
m = len(success_probabilities)
if m <= 1:
raise ValueError(
"m must be larger than 1 for the process-fidelity estimator"
)
succ = np.asarray(success_probabilities, dtype=float)
return float(
(m / (m - 1)) * (np.mean(np.sqrt(succ)) ** 2)
- np.sum(succ) / (m * (m - 1))
)

Selezionare i qubit fisici del circuito dinamico

L'implementazione dinamica non richiede porte a due qubit, quindi i suoi qubit fisici non devono formare un sottografo connesso. Per ogni dimensione di circuito, il selettore classifica i qubit del backend attuale usando un punteggio ponderato all'80% verso un errore di lettura più basso e al 10% ciascuno verso T1T_1 e T2T_2 più alti. Sceglie prima i qubit con punteggio alto senza accoppiamenti diretti tra loro quando possibile, il che può ridurre l'esposizione al crosstalk tra vicini, e poi riempie le posizioni rimanenti in base al punteggio.

Le varianti dynamic/raw e dynamic/orbit usano esattamente lo stesso layout selezionato per una data dimensione, rendendo il loro confronto controllato dal layout. Il circuito unitary/raw viene invece mappato e instradato dal transpiler perché richiede connettività a due qubit. Questa selezione basata sulla calibrazione a runtime è specifica di questo tutorial; non è il layout fisso a 40 qubit ibm_kyiv usato per gli esperimenti della Figura 2a dell'articolo.

def value_from_property(raw):
if raw is None:
return None
if isinstance(raw, tuple):
return raw[0]
return getattr(raw, "value", raw)

def qubit_property_value(properties, qubit: int, *names: str) -> float | None:
for name in names:
try:
value = value_from_property(
properties.qubit_property(qubit, name)
)
except Exception:
value = None
if value is not None:
return float(value)
return None

def measurement_error(properties, qubit: int) -> float | None:
readout = qubit_property_value(properties, qubit, "readout_error")
if readout is not None:
return readout
p01 = qubit_property_value(properties, qubit, "prob_meas0_prep1")
p10 = qubit_property_value(properties, qubit, "prob_meas1_prep0")
if p01 is not None and p10 is not None:
return 0.5 * (p01 + p10)
return None

def coupling_edges(backend) -> list[tuple[int, int]]:
coupling_map = getattr(backend, "coupling_map", None)
if coupling_map is not None:
try:
return [(int(a), int(b)) for a, b in coupling_map.get_edges()]
except Exception:
pass
built = backend.target.build_coupling_map()
return [(int(a), int(b)) for a, b in built.get_edges()]

def neighbor_map(backend) -> dict[int, set[int]]:
neighbors = {qubit: set() for qubit in range(backend.num_qubits)}
for a, b in coupling_edges(backend):
neighbors[a].add(b)
neighbors[b].add(a)
return neighbors

def anchored_score(
value: float | None, *, good: float, bad: float, higher_is_better: bool
) -> float:
if value is None:
return 0.0
if higher_is_better:
low, high = sorted((bad, good))
score = (value - low) / (high - low)
else:
low, high = sorted((good, bad))
score = (high - value) / (high - low)
return float(min(1.0, max(0.0, score)))

def qubit_metrics(backend) -> list[dict]:
properties = backend.properties()
rows = []
for qubit in range(backend.num_qubits):
t1 = qubit_property_value(properties, qubit, "T1", "t1")
t2 = qubit_property_value(properties, qubit, "T2", "t2")
meas_error = measurement_error(properties, qubit)
measurement_score = anchored_score(
meas_error, good=0.005, bad=0.05, higher_is_better=False
)
t1_score = anchored_score(
t1, good=0.00025, bad=0.00005, higher_is_better=True
)
t2_score = anchored_score(
t2, good=0.00025, bad=0.00005, higher_is_better=True
)
rows.append(
{
"qubit": qubit,
"t1": t1,
"t2": t2,
"measurement_error": meas_error,
"score": 0.8 * measurement_score
+ 0.1 * t1_score
+ 0.1 * t2_score,
}
)
return sorted(rows, key=lambda row: row["score"], reverse=True)

def select_dynamic_qubits(backend, n_qubits: int) -> list[int]:
ranked = qubit_metrics(backend)
neighbors = neighbor_map(backend)
selected = []
blocked = set()
for row in ranked:
qubit = row["qubit"]
if qubit in blocked:
continue
selected.append(qubit)
blocked.add(qubit)
blocked.update(neighbors.get(qubit, set()))
if len(selected) == n_qubits:
return selected

for row in ranked:
qubit = row["qubit"]
if qubit not in selected:
selected.append(qubit)
if len(selected) == n_qubits:
return selected
raise RuntimeError(f"Could not select {n_qubits} physical qubits")

print("The top 3 qubits (according to our scoring): ")
print(qubit_metrics(backend)[0:3])
print("Worst 3 qubits (according to our scoring): ")
print(qubit_metrics(backend)[-3:])
The top 3 qubits (according to our scoring):
[{'qubit': 0, 't1': 0.0002514242577986401, 't2': 0.00037559012475638467, 'measurement_error': 0.0028076171875, 'score': 1.0}, {'qubit': 20, 't1': 0.0002526252407383437, 't2': 0.00038493543771861573, 'measurement_error': 0.00390625, 'score': 1.0}, {'qubit': 25, 't1': 0.0002712841332005567, 't2': 0.00025793268824583597, 'measurement_error': 0.0040283203125, 'score': 1.0}]
Worst 3 qubits (according to our scoring):
[{'qubit': 146, 't1': 7.619772882181663e-05, 't2': 0.00014166983578724752, 'measurement_error': 0.0802001953125, 'score': 0.05893378230453208}, {'qubit': 51, 't1': 0.00014200221819602618, 't2': 1.930870507157441e-06, 'measurement_error': 0.054443359375, 'score': 0.04600110909801309}, {'qubit': 35, 't1': 7.116087485472031e-05, 't2': 9.463696242928626e-05, 'measurement_error': 0.14501953125, 'score': 0.03289891864200328}]

Preparare i PUB del benchmark

Per ogni coppia (N, x), il notebook transpila prima i circuiti logici e crea un PUB Sampler per ogni strategia:

  • unitary/raw: QFT+M unitaria sul layout selezionato dal transpiler, con instradamento se necessario e senza DD o MEM di Orbit.

  • dynamic/raw: QFT+M dinamica sui qubit fisici selezionati per calibrazione, senza DD o MEM di Orbit.

  • dynamic/orbit: lo stesso circuito dinamico transpilato sugli stessi qubit fisici, con DD e MEM di Orbit abilitati.

Il PUB potenziato da Orbit usa transpilation_mode="validate" perché la sua mappatura è già stata scelta. Orbit valida il circuito fisico fornito invece di rimapparlo, quindi applica la sua pipeline DD e MEM. Poiché solo la curva dinamica potenziata richiede MEM, non dovrebbe essere interpretata come un confronto isolato DD-contro-nessun-DD.

I PUB, le opzioni per PUB e i record dei risultati sono memorizzati per indice del job batch. Per ogni NN fisso, i PUB unitary/raw, dynamic/raw e dynamic/orbit sono mantenuti insieme nello stesso job. L'helper di raggruppamento accoppia dimensioni di circuito grandi e piccole, alterna il loro ordine e bilancia la somma di NN tra i tre job come proxy semplice del carico di lavoro di controllo classico.

strategy_options = {
"unitary/raw": {"mode": "raw"},
"dynamic/raw": {"mode": "raw"},
"dynamic/orbit": {"mode": "orbit", "transpilation_mode": "validate"},
}
rng = np.random.default_rng(RNG_SEED)
pubs_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
pub_options_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
pub_records_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
layout_summary = {}

target_decimals_by_n = {
n_qubits: [int(x) for x in rng.integers(0, 2**n_qubits, size=M)]
for n_qubits in N_VALUES
}

for job_index, n_group in enumerate(N_GROUPS):
for n_qubits in n_group:
dynamic_qubits = select_dynamic_qubits(backend, n_qubits)
layout_summary[str(n_qubits)] = {"dynamic_qubits": dynamic_qubits}

for x in target_decimals_by_n[n_qubits]:
target_bitstring = target_output_bitstring(x, n_qubits)
unitary_logical = build_unitary_qft_circuit(n_qubits, x)
dynamic_logical = build_dynamic_qft_circuit(n_qubits, x)

unitary_transpiled = transpile(
unitary_logical,
backend=backend,
optimization_level=OPTIMIZATION_LEVEL,
seed_transpiler=RNG_SEED,
)
dynamic_transpiled = transpile(
dynamic_logical,
backend=backend,
optimization_level=OPTIMIZATION_LEVEL,
seed_transpiler=RNG_SEED,
initial_layout=dynamic_qubits,
)

circuits_by_label = {
"unitary/raw": unitary_transpiled,
"dynamic/raw": dynamic_transpiled,
"dynamic/orbit": dynamic_transpiled,
}
for label in STRATEGY_LABELS:
circuit = circuits_by_label[label]
options = dict(strategy_options[label])
pubs_by_job[job_index].append((circuit, None, SHOTS))
pub_options_by_job[job_index].append(options)
pub_records_by_job[job_index].append(
{
"job_index": job_index,
"n_qubits": n_qubits,
"target_decimal": x,
"target_bitstring": target_bitstring,
"label": label,
"pub_options": options,
"dynamic_qubits": (
dynamic_qubits
if label.startswith("dynamic/")
else None
),
"transpiled_depth": circuit.depth(),
"transpiled_size": circuit.size(),
}
)

{
"num_function_jobs": len(N_GROUPS),
"n_groups": {
job_index: group for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"n_load_per_job": {
job_index: sum(group) for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"pubs_per_job": {
job_index: len(pubs) for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job)
},
"expected_executions_per_job": {
job_index: len(pubs) * SHOTS
for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job)
},
"first_pub_record_by_job": {
job_index: records[0]
for job_index, records in enumerate(pub_records_by_job)
},
"largest_dynamic_qubit_set": layout_summary[str(max(N_VALUES))][
"dynamic_qubits"
],
}
{'num_function_jobs': 3,
'n_groups': {0: [40, 2, 7, 15, 10],
1: [35, 3, 6, 20, 9],
2: [30, 4, 5, 25, 8]},
'n_load_per_job': {0: 74, 1: 73, 2: 72},
'pubs_per_job': {0: 300, 1: 300, 2: 300},
'expected_executions_per_job': {0: 307200, 1: 307200, 2: 307200},
'first_pub_record_by_job': {0: {'job_index': 0,
'n_qubits': 40,
'target_decimal': 853235401719,
'target_bitstring': '1110111111000000110100110001010101100011',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 4778,
'transpiled_size': 28259},
1: {'job_index': 1,
'n_qubits': 35,
'target_decimal': 26888951661,
'target_bitstring': '10110110111010110010110101000010011',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 3614,
'transpiled_size': 21204},
2: {'job_index': 2,
'n_qubits': 30,
'target_decimal': 620442965,
'target_bitstring': '101010101010110011011111001001',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 2835,
'transpiled_size': 15078}},
'largest_dynamic_qubit_set': [0,
20,
25,
27,
33,
59,
74,
80,
95,
144,
151,
155,
79,
90,
60,
68,
114,
107,
13,
126,
133,
103,
3,
87,
53,
41,
130,
5,
98,
135,
153,
15,
116,
45,
7,
48,
136,
11,
147,
77]}

Eseguire il benchmark

Crea un batch, quindi invia tre job della funzione Orbit al suo interno.

I job sono suddivisi per gruppi di conteggio qubit in modo che tutte e tre le strategie per un NN fisso possano essere confrontate. Ciò significa che tutti i 60 PUB per un NN fisso — 20 input campionati moltiplicati per le tre strategie — vengono quindi eseguiti nello stesso job e possono così essere confrontati nel modo più equo possibile (altrimenti, se eseguiti in job diversi, il dispositivo potrebbe derivare mentre è in coda). I gruppi predefiniti combinano circuiti grandi e piccoli e contengono 300 PUB ciascuno, riducendo la probabilità che un job accumuli tutti i programmi dinamici più grandi pur preservando i confronti all'interno del job.

runtime_batch = Batch(backend=backend)
jobs = []
try:
for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job):
jobs.append(
quantum_elements_orbit.run(
primitive="sampler",
pubs=pubs,
backend_name=backend.name,
options={
"pub_options": pub_options_by_job[job_index],
"save_backend_info": True,
},
)
)
except Exception:
runtime_batch.close()
raise

{
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"jobs": {
job_index: {
"backend": backend.name,
"function_job_id": job.job_id,
"status": job.status(),
"n_values": N_GROUPS[job_index],
"num_pubs": len(pubs_by_job[job_index]),
}
for job_index, job in enumerate(jobs)
},
}
{'runtime_batch_id': '80120e36-436d-46c7-96c9-597ec86060c1',
'jobs': {0: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '2b6b05ac-0136-40f0-94bf-ade5658f5f4f',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [40, 2, 7, 15, 10],
'num_pubs': 300},
1: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '4f046fd4-80e4-460b-87c7-e7252691f764',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [35, 3, 6, 20, 9],
'num_pubs': 300},
2: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '6d70d64d-fa38-4ca2-9cbd-ffda5d8c99be',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [30, 4, 5, 25, 8],
'num_pubs': 300}}}

Recuperare i risultati e calcolare la fedeltà del processo

Recupera e convalida ogni risultato del gruppo di qubit in modo indipendente, quindi unisci i tre flussi di job attraverso i loro record indicizzati per job. Il batch viene mantenuto aperto mentre vengono richiesti tutti i risultati della funzione e viene chiuso in un blocco finally dopo che ogni job è stato tentato. Per ogni PUB, pxp_x è la probabilità assegnata alla stringa di bit attesa. extract_counts legge i conteggi restituiti al chiamante; per dynamic/orbit, questi sono i conteggi corretti da MEM quando la mitigazione ha successo. extract_raw_counts recupera anche i corrispondenti conteggi non mitigati registrati nei metadati di Orbit. Il codice raggruppa i 20 valori di pxp_x per ogni coppia (N, label) e applica lo stimatore introdotto sopra.

Il dizionario process_fidelity tracciato usa quindi conteggi grezzi per unitary/raw e dynamic/raw, ma conteggi corretti da MEM per dynamic/orbit. Il dizionario parallelo raw_process_fidelity mantiene un calcolo non mitigato per ogni strategia ed è utile per separare l'effetto di MEM dal resto della pipeline Orbit. MEM corregge l'istogramma di output restituito; non può cambiare retroattivamente un risultato di misura a metà circuito già usato dal feedforward in tempo reale.

def extract_counts(pub_result) -> dict[str, int]:
data = getattr(pub_result, "data", None)
if data is None:
raise TypeError("pub_result.data is missing")

for name in dir(data):
if name.startswith("_"):
continue
register = getattr(data, name)
get_counts = getattr(register, "get_counts", None)
if callable(get_counts):
counts = get_counts()
if counts:
return counts

raise TypeError(
"No classical register with get_counts() found in pub_result.data"
)

def extract_raw_counts(pub_result) -> dict[str, int]:
orbit_metadata = pub_result.metadata.get("quantum_elements_orbit", {})
mem_report = orbit_metadata.get("measurementErrorMitigation", {})
return mem_report.get("rawCounts") or extract_counts(pub_result)

def probability_for_bitstring(
counts: dict[str, int], bitstring: str, n_qubits: int
) -> float:
total = sum(counts.values())
if total <= 0:
return 0.0
normalized = Counter()
for measured, count in counts.items():
key = measured.replace(" ", "")[-n_qubits:].zfill(n_qubits)
normalized[key] += count
return float(normalized.get(bitstring, 0) / total)

results_by_job = {}
job_failures = []
try:
for job_index, job in enumerate(jobs):
try:
job_result = job.result()
except Exception as exc:
job_logs = getattr(job, "logs", lambda: "")()
if job_logs:
print(f"Logs for job {job_index} ({job.job_id}):\n{job_logs}")
job_failures.append(
f"job {job_index} ({job.job_id}) failed: {type(exc).__name__}: {exc}"
)
continue

expected_results = len(pub_records_by_job[job_index])
if len(job_result) != expected_results:
job_failures.append(
f"job {job_index} ({job.job_id}) returned {len(job_result)} PUB results; "
f"expected {expected_results}"
)
continue
results_by_job[job_index] = job_result
finally:
runtime_batch.close()

if job_failures:
raise RuntimeError(
"One or more batched Orbit jobs failed:\n" + "\n".join(job_failures)
)

grouped_success = defaultdict(list)
grouped_raw_success = defaultdict(list)
pub_summaries = []

for job_index, job_result in sorted(results_by_job.items()):
records = pub_records_by_job[job_index]
for record, pub_result in zip(records, job_result, strict=True):
label = record["label"]
n_qubits = record["n_qubits"]
counts = extract_counts(pub_result)
raw_counts = extract_raw_counts(pub_result)
success = probability_for_bitstring(
counts, record["target_bitstring"], n_qubits
)
raw_success = probability_for_bitstring(
raw_counts, record["target_bitstring"], n_qubits
)
key = (n_qubits, label)
grouped_success[key].append(success)
grouped_raw_success[key].append(raw_success)

orbit_report = pub_result.metadata.get("quantum_elements_orbit", {})
mem_report = orbit_report.get("measurementErrorMitigation", {})
pub_summaries.append(
{
**record,
"function_job_id": jobs[job_index].job_id,
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"success_probability": success,
"raw_success_probability": raw_success,
"orbit_mode": orbit_report.get("mode"),
"transpilation_mode": orbit_report.get("transpilationMode"),
"physical_layout": orbit_report.get("physicalLayout"),
"dd_status": orbit_report.get("status", "not_applied"),
"num_sequences_added": orbit_report.get(
"numSequencesAdded", 0
),
"num_gaps_filled": orbit_report.get("numGapsFilled", 0),
"dynamic_dd_seq": orbit_report.get("dynamicDdSeq"),
"mem_status": mem_report.get("status", "not_requested"),
"warnings": orbit_report.get("warnings", [])
+ mem_report.get("warnings", []),
}
)

process_fidelity = defaultdict(dict)
raw_process_fidelity = defaultdict(dict)
mean_success_probability = defaultdict(dict)
raw_mean_success_probability = defaultdict(dict)

for (n_qubits, label), probabilities in sorted(grouped_success.items()):
n_key = str(n_qubits)
process_fidelity[n_key][label] = (
process_fidelity_from_success_probabilities(probabilities)
)
mean_success_probability[n_key][label] = float(np.mean(probabilities))

for (n_qubits, label), probabilities in sorted(grouped_raw_success.items()):
n_key = str(n_qubits)
raw_process_fidelity[n_key][label] = (
process_fidelity_from_success_probabilities(probabilities)
)
raw_mean_success_probability[n_key][label] = float(np.mean(probabilities))

process_fidelity = dict(process_fidelity)
raw_process_fidelity = dict(raw_process_fidelity)
mean_success_probability = dict(mean_success_probability)
raw_mean_success_probability = dict(raw_mean_success_probability)

{
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"function_job_ids": {
job_index: job.job_id for job_index, job in enumerate(jobs)
},
"n_groups": {
job_index: group for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"process_fidelity": process_fidelity,
"mean_success_probability": mean_success_probability,
}
{'runtime_batch_id': '80120e36-436d-46c7-96c9-597ec86060c1',
'function_job_ids': {0: '2b6b05ac-0136-40f0-94bf-ade5658f5f4f',
1: '4f046fd4-80e4-460b-87c7-e7252691f764',
2: '6d70d64d-fa38-4ca2-9cbd-ffda5d8c99be'},
'n_groups': {0: [40, 2, 7, 15, 10],
1: [35, 3, 6, 20, 9],
2: [30, 4, 5, 25, 8]},
'process_fidelity': {'2': {'dynamic/orbit': 0.9870551835473073,
'dynamic/raw': 0.9912537998030566,
'unitary/raw': 0.9884650767434809},
'3': {'dynamic/orbit': 0.9662998634131841,
'dynamic/raw': 0.9699631603283018,
'unitary/raw': 0.9388637172865901},
'4': {'dynamic/orbit': 0.9271266520750502,
'dynamic/raw': 0.7334377020091254,
'unitary/raw': 0.9010122207121433},
'5': {'dynamic/orbit': 0.8883501513887149,
'dynamic/raw': 0.6577660260669806,
'unitary/raw': 0.7806443417987445},
'6': {'dynamic/orbit': 0.8524225652033044,
'dynamic/raw': 0.4444025126308521,
'unitary/raw': 0.7167426842521228},
'7': {'dynamic/orbit': 0.832962085697061,
'dynamic/raw': 0.2253787798698553,
'unitary/raw': 0.5746335601063436},
'8': {'dynamic/orbit': 0.7881895956180588,
'dynamic/raw': 0.16909516699831612,
'unitary/raw': 0.5408263851227074},
'9': {'dynamic/orbit': 0.7422635627368794,
'dynamic/raw': 0.0242474245097341,
'unitary/raw': 0.4855953298367578},
'10': {'dynamic/orbit': 0.7002274273149545,
'dynamic/raw': 0.033718865729016285,
'unitary/raw': 0.3607634828181049},
'15': {'dynamic/orbit': 0.4694995355699914,
'dynamic/raw': 7.70970394736842e-05,
'unitary/raw': 0.054582117352985286},
'20': {'dynamic/orbit': 0.24118032284867608,
'dynamic/raw': 4.235164736271502e-22,
'unitary/raw': 0.0},
'25': {'dynamic/orbit': 0.027122712989729438,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'30': {'dynamic/orbit': 0.0003581886014704875,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'35': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'40': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0}},
'mean_success_probability': {'2': {'dynamic/orbit': 0.987060546875,
'dynamic/raw': 0.991259765625,
'unitary/raw': 0.9884765625},
'3': {'dynamic/orbit': 0.96630859375,
'dynamic/raw': 0.969970703125,
'unitary/raw': 0.939013671875},
'4': {'dynamic/orbit': 0.9271484375,
'dynamic/raw': 0.7337890625,
'unitary/raw': 0.901318359375},
'5': {'dynamic/orbit': 0.88837890625,
'dynamic/raw': 0.657861328125,
'unitary/raw': 0.78115234375},
'6': {'dynamic/orbit': 0.85244140625,
'dynamic/raw': 0.44453125,
'unitary/raw': 0.71728515625},
'7': {'dynamic/orbit': 0.8330078125,
'dynamic/raw': 0.22568359375,
'unitary/raw': 0.575390625},
'8': {'dynamic/orbit': 0.788232421875,
'dynamic/raw': 0.169189453125,
'unitary/raw': 0.541796875},
'9': {'dynamic/orbit': 0.742333984375,
'dynamic/raw': 0.0244140625,
'unitary/raw': 0.487353515625},
'10': {'dynamic/orbit': 0.70029296875,
'dynamic/raw': 0.033935546875,
'unitary/raw': 0.363037109375},
'15': {'dynamic/orbit': 0.4697265625,
'dynamic/raw': 0.00029296875,
'unitary/raw': 0.055615234375},
'20': {'dynamic/orbit': 0.241357421875,
'dynamic/raw': 4.8828125e-05,
'unitary/raw': 0.0},
'25': {'dynamic/orbit': 0.041015625, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'30': {'dynamic/orbit': 0.0013671875,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'35': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'40': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0}}}

Ispezionare i metadati DD di Orbit

Il riepilogo sottostante controlla i metadati del PUB dynamic/orbit piuttosto che assumere che il DD richiesto sia stato inserito. Ispeziona lo stato, la sequenza DD dinamica riportata, gli avvisi e i numeri di gap riempiti e sequenze aggiunte. Un inserimento riuscito dovrebbe produrre conteggi diversi da zero per almeno alcuni PUB, ma i valori esatti dipendono dal circuito pianificato, dai vincoli di temporizzazione del backend e dalla dimensione del circuito. Questi metadati descrivono la sequenza applicata da Orbit; non dovrebbero essere etichettati come il protocollo FC-DD dell'articolo a meno che il report non stabilisca esplicitamente tale equivalenza.

dd_summary = defaultdict(lambda: Counter())
sequence_totals = defaultdict(int)
warning_examples = []

for summary in pub_summaries:
if summary["label"] != "dynamic/orbit":
continue
n_key = str(summary["n_qubits"])
dd_summary[n_key][summary["dd_status"]] += 1
sequence_totals[n_key] += int(summary.get("num_sequences_added") or 0)
if summary.get("warnings") and len(warning_examples) < 5:
warning_examples.append(
{
"n_qubits": summary["n_qubits"],
"target_decimal": summary["target_decimal"],
"warnings": summary["warnings"],
}
)

{
"dynamic_orbit_dd_status_counts": {
key: dict(value) for key, value in dd_summary.items()
},
"dynamic_orbit_sequences_added": dict(sequence_totals),
"warning_examples": warning_examples,
}
{'dynamic_orbit_dd_status_counts': {'40': {'dd_inserted': 20},
'2': {'dd_inserted': 20},
'7': {'dd_inserted': 20},
'15': {'dd_inserted': 20},
'10': {'dd_inserted': 20},
'35': {'dd_inserted': 20},
'3': {'dd_inserted': 20},
'6': {'dd_inserted': 20},
'20': {'dd_inserted': 20},
'9': {'dd_inserted': 20},
'30': {'dd_inserted': 20},
'4': {'dd_inserted': 20},
'5': {'dd_inserted': 20},
'25': {'dd_inserted': 20},
'8': {'dd_inserted': 20}},
'dynamic_orbit_sequences_added': {'40': 31200,
'2': 40,
'7': 840,
'15': 4200,
'10': 1800,
'35': 23800,
'3': 120,
'6': 600,
'20': 7600,
'9': 1440,
'30': 17400,
'4': 240,
'5': 400,
'25': 12000,
'8': 1120},
'warning_examples': [{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 853235401719,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 954673909846,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 524641045908,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 185651043478,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 587114273567,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']}]}

Tracciare le curve di fedeltà del processo

Il grafico mostra la stima puntuale della fedeltà di processo QFT+M campionata rispetto al conteggio di qubit per le tre strategie. dynamic/raw e dynamic/orbit condividono un layout fisico per ogni dimensione; unitary/raw usa il layout e l'instradamento del transpiler.

A differenza della Figura 2a, questo grafico non mostra una curva unitaria con DD né bande di incertezza, e le sue curve grezze non sono mitigate per la lettura. È meglio interpretarlo come un confronto di scaling in stile Figura 2a per questo flusso di lavoro Orbit, non come una riproduzione diretta delle curve pubblicate.

from datetime import datetime
from zoneinfo import ZoneInfo

closed_at = runtime_batch.details()["closed_at"] # "2026-07-22T00:08:54.89Z"
closed_dt = datetime.fromisoformat(closed_at.replace("Z", "+00:00"))
closed_local = closed_dt.astimezone(ZoneInfo("America/Los_Angeles"))
labels = ["dynamic/orbit", "dynamic/raw", "unitary/raw"]
colors = {
"dynamic/orbit": "#26735b",
"dynamic/raw": "#9b1c31",
"unitary/raw": "#6e6e6e",
}
pretty_labels = {
"dynamic/orbit": "Dynamic QFT+M with Orbit",
"dynamic/raw": "Dynamic QFT+M",
"unitary/raw": "Unitary QFT+M",
}

series = []
for label in labels:
values = [process_fidelity[str(n)][label] for n in N_VALUES]
log_values = [value if value > 0.0 else float("nan") for value in values]
series.append((label, values, log_values))

nonzero_values = [
value
for _, _, log_values in series
for value in log_values
if value > 0.0
]
if not nonzero_values:
raise RuntimeError(
"No nonzero process-fidelity values found for log inset"
)
log_floor = min(nonzero_values) / 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(9.8, 5.6))
for label, values, _ in series:
ax.plot(
N_VALUES,
values,
marker="o",
linewidth=2.0,
markersize=5,
color=colors[label],
label=pretty_labels[label],
)

ax.set_xlabel("N qubits")
ax.set_ylabel("Process fidelity")
finished_time_for_title = globals().get("finished_local", closed_local)
ax.set_title(
f"Dynamic QFT Orbit results on {IBM_BACKEND_NAME}\n"
f"Job finished {finished_time_for_title:%Y-%m-%d %H:%M %Z}"
)
ax.set_xticks(N_VALUES)
ax.set_ylim(bottom=0)
ax.grid(axis="both", alpha=0.25)
ax.legend(loc="upper right")

inset = ax.inset_axes([0.53, 0.31, 0.44, 0.43])
for label, _, log_values in series:
inset.plot(
N_VALUES,
log_values,
marker="o",
linewidth=2.0,
markersize=5,
color=colors[label],
)
inset.set_yscale("log")
inset.set_ylim(bottom=log_floor)
inset.set_xlim(min(N_VALUES), max(N_VALUES))
inset.set_title("Log scale; zeros omitted", fontsize=9)
inset.grid(axis="both", alpha=0.25)
inset.tick_params(axis="both", labelsize=8)
inset.patch.set_alpha(0.96)

fig.tight_layout()
plt.show()

Output of the previous code cell

Riferimenti

  1. E. Bäumer et al., "Quantum Fourier Transform Using Dynamic Circuits," arXiv:2403.09514; Physical Review Letters 133, 150602 (2024)

  2. Introduzione alle Qiskit Functions

  3. Limitazioni di Quantum Compute per le variabili stretch

  4. Codici di errore IBM Quantum: 6073

  5. Eseguire job in un batch

Prossimi passi

  • Consulta la documentazione Guida a Orbit e riferimento API.

  • Prova un backend diverso, un layout alternativo o sperimenta con una sequenza di disaccoppiamento dinamico alternativa abilitata da orbit modificando l'opzione dd_strategy. Tieni presente che a causa della natura sperimentale dei circuiti dinamici, devi prestare attenzione a possibili modalità di fallimento dei job (vedi [3] e [4]). Se incontri valori stretch negativi [3], prova una sequenza DD più piccola (con meno impulsi). Se incontri [4], aumenta NUM_BATCH_JOBS, riduci M, oppure riduci i valori più grandi in N_VALUES.