Pemantauan, kalibrasi, dan benchmarking

Mengkalibrasi komputer kuantum memerlukan optimalisasi sejumlah besar parameter yang mendefinisikan sinyal listrik yang menggerakkan gate kuantum dan operasi readout. Sebelum sebuah komputer kuantum dirilis, proses kalibrasi awalnya melibatkan penyetelan setiap parameter secara menyeluruh untuk mencapai performa terbaik yang mungkin berdasarkan benchmark yang relevan dengan beban kerja yang diharapkan dari komputer kuantum tersebut. Setelah sebuah komputer kuantum dirilis, tujuan utamanya adalah mempertahankan performa yang konsisten selama masa pakai perangkat. Nilai optimal dari banyak parameter yang dikalibrasi tetap stabil tanpa batas, tetapi beberapa berubah dari waktu ke waktu akibat faktor-faktor seperti perubahan pada lingkungan two-level systems (TLS) di chip prosesor kuantum, perubahan kondisi ambien (misalnya, suhu) di pusat data, atau ketidakstabilan di dalam sistem kontrol.

Untuk memastikan performa yang konsisten, komputer kuantum IBM® sering dipantau untuk melacak parameter yang mungkin bergeser dari waktu ke waktu, menjalankan kalibrasi saat diperlukan, dan melakukan benchmarking harian. Halaman ini merinci tiga proses — pemantauan, kalibrasi, dan benchmarking — yang bekerja sama untuk memastikan armada komputer kuantum IBM tetap sestabil, seprediktabel, dan setersedia mungkin bagi pengguna.

Pemantauan

Pemantauan parameter

Pekerjaan pemantauan parameter yang singkat dijalankan kira-kira sekali setiap jam, secara otomatis diselingi di antara pekerjaan pengguna, menggunakan keseluruhan tumpukan perangkat lunak Qiskit Runtime. Hasil dari pekerjaan ini dianalisis untuk memeriksa apakah ada parameter yang mulai menyimpang dari rentang yang dapat diterima, idealnya menangkap masalah sebelum menjadi cukup signifikan hingga memengaruhi performa pada tingkat yang dapat dirasakan.

Beberapa parameter yang dipantau mencakup hal berikut:

• Sudut readout, amplitudo, dan ambang diskriminator, memastikan diskriminasi keadaan yang akurat, kebocoran rendah, dan operasi yang stabil. Ini mencakup parameter operasional dari amplifier batas-kuantum kami.
• Operasi gate single- dan two-qubit, memastikan keduanya berperilaku sesuai harapan untuk menjaga sudut rotasi yang benar serta meminimalkan kesalahan fase dan amplitudo.
• Tanda-tanda aktivitas TLS.

Jika hasil pekerjaan pemantauan ini menunjukkan penyimpangan moderat dari performa yang diharapkan, maka pekerjaan kalibrasi yang sesuai akan diluncurkan. Jika terdeteksi aktivitas TLS yang parah, maka strategi kalibrasi untuk gate yang terkait dengan qubit yang terdampak mungkin dimodifikasi secara otomatis (dan bisa termasuk menjeda kalibrasi) sampai aktivitas TLS tersebut menurun kembali ke level yang dapat diterima.

Pemantauan holistik

Selain pekerjaan yang memantau parameter individual, ada pekerjaan yang memantau performa komputer kuantum secara lebih holistik, seperti tes yang melihat fidelity dari Bell state yang dihasilkan, serta tes fractional gate dan dynamic circuit pada komputer kuantum yang mendukung fitur tersebut. Tujuan dari tes ini, yang juga berjalan melalui keseluruhan tumpukan Qiskit Runtime diselingi dengan pekerjaan pengguna, adalah memvalidasi perilaku keseluruhan dari hardware dan software secara efisien. Jika tes ini mendeteksi penurunan performa yang signifikan, komputer kuantum akan secara otomatis menjeda antrian pekerjaan sampai masalah teratasi, memastikan pekerjaan pengguna tidak akan berjalan hingga perangkat berperforma sesuai harapan kembali.

Kalibrasi

Kalibrasi dipicu setiap kali pekerjaan pemantauan menunjukkan bahwa parameter seperti amplitudo pulsa atau sudut telah menyimpang dari nilai idealnya. Kalibrasi berjalan sepanjang hari di antara pekerjaan pengguna, dan oleh karena itu tidak ada periode waktu tertentu di mana kalibrasi dimulai dan selesai. Kalibrasi ini hanya berjalan pada qubit/gate yang teridentifikasi memiliki masalah spesifik oleh pemantauan parameter, bersama dengan qubit apa pun yang diperlukan untuk berjalan pada waktu yang sama menurut aturan batching tertentu. Pada QPU Heron, total waktu yang dihabiskan untuk kalibrasi biasanya kurang dari dua jam per hari.

Operasi single-qubit

Kalibrasi ini memastikan implementasi yang akurat dari gate single-qubit: sx, x, rx (fractional). Kami menyesuaikan:

• Frekuensi qubit
• Amplitudo dan fase pulsa

Kalibrasi ini di-batch di seluruh qubit yang terdampak dan dijalankan secara bersamaan jika sesuai, dengan strategi batching yang disesuaikan untuk setiap jenis kalibrasi.

Operasi two-qubit

• Amplitudo dan fase gate CZ dan RZZ (untuk prosesor Heron dan Nighthawk)
• Amplitudo dan fase gate ECR (untuk prosesor Eagle)

Kalibrasi ini dijalankan dalam kelompok qubit yang bukan tetangga-terdekat untuk meminimalkan crosstalk.

Readout

• Sudut pulsa readout
• Parameter diskriminasi pengukuran

Kalibrasi ini dijalankan secara bersamaan pada qubit yang memerlukan kalibrasi.

Bagaimana kalibrasi dijadwalkan

• Pekerjaan kalibrasi tidak dapat berjalan bersamaan saat sebuah pekerjaan atau Session sedang berjalan.
• Oleh karena itu, selama Session yang panjang, komputer kuantum mungkin mengalami penurunan stabilitas efektif akibat rekalibrasi yang tertunda atau jarang.
• Dua pekerjaan yang dikirimkan pada waktu yang sama mungkin berjalan dengan kumpulan kalibrasi yang berbeda, tergantung pada pengaturan waktunya.

Benchmarking

Benchmarking harian memberikan gambaran komprehensif tentang performa komputer kuantum dan menghasilkan metrik yang dikirimkan kepada pengguna melalui Qiskit. Benchmarking membantu pengguna memilih qubit, mengoptimalkan kompilasi, dan lebih baik mengantisipasi performa Circuit yang diharapkan. Anda dapat melihat angka yang dilaporkan baik secara programatik maupun di halaman Compute resources (klik QPU mana pun untuk membuka kartu informasi rincinya). Temukan detail lebih lanjut tentang setiap metrik di dokumentasi.

Drift perangkat

Dampak dari drift perangkat (performa hardware yang menurun dari waktu ke waktu) bergantung pada banyak faktor, seperti kapan kalibrasi terakhir dijalankan, eksperimen spesifik yang dilakukan, aktivitas TLS apa pun, dan sebagainya. Jika suatu beban kerja sangat sensitif terhadap nilai kesalahan parameter perangkat, Anda dapat melakukan benchmarking parameter perangkat secara real-time dengan mengikuti tutorial ini di IBM Quantum Learning.

Performa single-qubit

• Randomized benchmarking (RB) dalam kelompok yang di-batch
• Waktu koherensi untuk $T_1$ dan $T_2$
• Metrik measurement-fidelity

Performa two-qubit

• EPG gate fractional CZ dan RZZ (Heron), ECR (Eagle) sebagaimana diukur oleh RB pada gate tersebut

Metrik tingkat sistem

• Layer fidelity (EPLG), untuk string panjang 100-qubit terbaik