Códigos de repetición
Estimación de tiempo de ejecución: menos de 10 segundos en un procesador Heron (NOTA: Se trata únicamente de una estimación. (El tiempo de ejecución puede variar.)
Resultados del aprendizaje
- Cómo implementar un código de corrección de errores de inversión de bits utilizando circuitos dinámicos
- Cómo medir los estabilizadores para detectar errores cuánticos sin destruir la información codificada
- Cómo evaluar el rendimiento de la corrección de errores cuánticos comparando los resultados corregidos con los no corregidos
Requisitos previos
En segundo plano
Para permitir la corrección cuántica de errores (QEC) en tiempo real, es necesario poder controlar dinámicamente el flujo de programas cuánticos durante la ejecución, de modo que las puertas cuánticas puedan condicionarse a los resultados de las mediciones. Este tutorial ejecuta el código bit-flip, que es una forma muy simple de QEC. Demuestra un circuito cuántico dinámico que puede proteger un qubit codificado de un único error de salto de bit y, a continuación, evalúa el rendimiento del código de salto de bit.
Puede explotar qubits ancilla adicionales y el entrelazamiento para medir estabilizadores que no transforman la información cuántica codificada, al tiempo que le informan de algunas clases de errores que podrían haberse producido. Un código estabilizador cuántico codifica qubits lógicos en qubits físicos. Los códigos estabilizadores se centran críticamente en la corrección de un conjunto de errores discretos con apoyo del grupo de Pauli .
En este tutorial, mostramos el código de inversión de bits mediante un sencillo experimento con memoria cuántica. Prepararemos el qubit codificado en el estado lógico y, a continuación, llevaremos a cabo varios ciclos de tiempo de inactividad (para que se acumulen errores), seguidos de la detección y corrección de errores. A continuación, cuantificamos la probabilidad de que se produzca un error lógico en función del número de ciclos (tiempo), donde la probabilidad de error lógico es la probabilidad de encontrar los qubits en un estado que no recupere el tras la medición final (concretamente, los estados correspondientes a un error son , , y ).
Compararemos la tasa de error en función del tiempo con las tasas de error de los qubits individuales sin codificar, así como con el uso del código de repetición, en el que solo se detectan y corrigen los errores tras la medición final, pero no de forma dinámica durante el funcionamiento del circuito.
Nota: el código de repetición solo permite corregir errores de inversión de bits y, por lo tanto, no es un código de corrección de errores completo. Sin embargo, precisamente por su sencillez, constituye un buen punto de partida para ilustrar cómo implementar la corrección de errores en un ordenador cuántico. El experimento sobre la memoria que se expone a continuación solo comprueba un único tipo de error (un « » que se degrada hasta convertirse en un « ») y, técnicamente, solo demuestra la protección de la información clásica.
Requisitos
Antes de empezar este tutorial, asegúrate de que tienes instalado lo siguiente:
- Qiskit SDK v2.0 o posterior, con soporte de visualización
- Qiskit Runtime v0.40 o posterior (
pip install qiskit-ibm-runtime)
Configuración
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.optimize import curve_fit
sns.set()
plt.rc("xtick", labelsize=20)
plt.rc("ytick", labelsize=20)
plt.rc("lines", linewidth=3)
plt.rc("font", size=20)
plt.rc("legend", fontsize="large")
plt.rc("axes", labelsize=20)
plt.rcParams["figure.figsize"] = 15, 6
plt.rcParams["legend.title_fontsize"] = 25# Qiskit imports
from qiskit import (
QuantumCircuit,
QuantumRegister,
ClassicalRegister,
)
# qiskit-ibm-runtime
from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, SamplerV2 as Sampler
from qiskit_ibm_runtime.circuit import MidCircuitMeasure
service = QiskitRuntimeService()Ejemplo de simulador a pequeña escala
Omitiremos este paso, ya que el objetivo de este experimento es medir la vida útil de un qubit lógico en condiciones de ruido real del hardware, como la amortiguación de amplitud durante los retrasos en estado inactivo; un simulador sin ruido no mostraría errores que detectar y corregir.
Ejemplo de hardware a gran escala
Paso 1: Asignar entradas clásicas a un problema cuántico
Elige un backend
Para detectar errores durante el circuito, debemos elegir un backend que tenga acceso al método MidCircuitMeasure (véase la documentación ).
# You can see all backends that support mid-circuit measurements by running the following code.
service.backends(filters=lambda b: "measure_2" in b.supported_instructions)Output:
[<IBMBackend('ibm_pittsburgh')>,
<IBMBackend('ibm_boston')>,
<IBMBackend('ibm_kingston')>]
# Choose the least busy backend that supports mid-circuit measurements (`measure_2`).
backend = service.least_busy(
filters=lambda b: "measure_2" in b.supported_instructions,
operational=True,
simulator=False,
dynamic_circuits=True,
)
# backend = service.backend(backend_name) # alternatively, you could choose a specific backend
print(backend.name)Output:
ibm_boston
Construir una secuencia de circuitos estabilizadores de inversión de bits que implementen varias rondas de detección y corrección de errores
El código de inversión de bits es uno de los ejemplos más sencillos de código estabilizador. Protege el estado frente a un único error de inversión de bit (X) en cualquiera de los qubits de codificación. Consideremos la acción del error de inversión de bits , que mapea y en cualquiera de nuestros qubits; entonces, tenemos . El código requiere cinco qubits: tres se utilizan para codificar el estado protegido (los «qubits de datos») y los dos restantes se utilizan como ancillas de medición estabilizadoras.
A continuación, construirás circuitos que (1) preparen los qubits de datos en el estado lógico , después (2) ejecuten varios ciclos de un retardo seguidos de una corrección de errores (incluido el reinicio de los qubits de síndrome) y, por último, (3) lean el estado de los qubits de datos.
También comprobaremos la vida útil del estado « » sin utilizar corrección de errores, incluyendo tres qubits de referencia que prepararemos en el estado « », dejaremos inactivos y, a continuación, leeremos.
def build_qc(
qreg_data,
qreg_syndrome,
creg_data,
creg_syndrome,
qreg_ref=None,
creg_ref=None,
):
"""Build a typical error correction circuit"""
if qreg_ref:
return QuantumCircuit(
qreg_data,
qreg_syndrome,
creg_data,
creg_syndrome,
qreg_ref,
creg_ref,
)
else:
return QuantumCircuit(
qreg_data, qreg_syndrome, creg_data, creg_syndrome
)
def encode_bit_flip(circuit, qreg_data, qreg_ref=None) -> QuantumCircuit:
"""Encode bit-flip. This is done by simply adding a cx"""
for q in qreg_data:
circuit.x(q)
if qreg_ref:
for q in qreg_ref:
circuit.x(q)
circuit.barrier()
return circuit
def measure_syndrome_bit(
circuit, qreg_data, qreg_syndrome, creg_syndrome, qreg_ref=None
):
"""
Measure the syndrome by measuring the parity.
We reset our ancilla qubits after measuring the stabilizer
so we can reuse them for repeated stabilizer measurements.
Because we have already observed the state of the qubit,
we can write the conditional reset protocol directly to
avoid another round of qubit measurement if we used
the `reset` instruction.
"""
circuit.cx(qreg_data[0], qreg_syndrome[0])
circuit.cx(qreg_data[1], qreg_syndrome[0])
circuit.cx(qreg_data[0], qreg_syndrome[1])
circuit.cx(qreg_data[2], qreg_syndrome[1])
circuit.barrier()
for q_measure, c_measure in zip(qreg_syndrome, creg_syndrome):
circuit.append(MidCircuitMeasure(), [q_measure], [c_measure])
with circuit.if_test((creg_syndrome[0], 1)):
circuit.x(qreg_syndrome[0])
with circuit.if_test((creg_syndrome[1], 1)):
circuit.x(qreg_syndrome[1])
circuit.barrier()
return circuit
def apply_correction_bit(circuit, qreg_data, creg_syndrome):
"""We can detect where an error occurred and correct our state"""
with circuit.if_test((creg_syndrome, 3)):
circuit.x(qreg_data[0])
with circuit.if_test((creg_syndrome, 1)):
circuit.x(qreg_data[1])
with circuit.if_test((creg_syndrome, 2)):
circuit.x(qreg_data[2])
circuit.barrier()
return circuit
def apply_final_readout(
circuit, qreg_data, creg_data, qreg_ref=None, creg_ref=None
):
"""Read out the final measurements"""
circuit.barrier()
if qreg_ref:
circuit.measure(qreg_ref, creg_ref)
circuit.measure(qreg_data, creg_data)
return circuitdef build_error_correction_sequence(
num_cycles, cycles_per_circuit, nq_ref=3, delay=None
) -> QuantumCircuit:
circuits = []
reps = []
qreg_data = QuantumRegister(3, name="qdata")
qreg_syndrome = QuantumRegister(2, name="qsyndrome")
creg_data = ClassicalRegister(3, name="cdata")
creg_syndrome = ClassicalRegister(2, name="csyndrome")
qreg_ref = QuantumRegister(nq_ref, name="qreference")
creg_ref = ClassicalRegister(nq_ref, name="creference")
circuit = build_qc(
qreg_data,
qreg_syndrome,
creg_data,
creg_syndrome,
qreg_ref=qreg_ref,
creg_ref=creg_ref,
)
circuit = encode_bit_flip(circuit, qreg_data, qreg_ref=qreg_ref)
circuit_n = circuit.copy()
circuit_n = apply_final_readout(
circuit_n, qreg_data, creg_data, qreg_ref=qreg_ref, creg_ref=creg_ref
)
circuits.append(circuit_n)
reps.append(0)
for i in range(1, num_cycles + 1):
if delay:
circuit.delay(delay, unit="us")
circuit.barrier()
circuit = measure_syndrome_bit(
circuit,
qreg_data,
qreg_syndrome,
creg_syndrome,
qreg_ref=qreg_ref,
)
circuit = apply_correction_bit(circuit, qreg_data, creg_syndrome)
circuit_n = circuit.copy()
if i % cycles_per_circuit == 0:
circuit_n = apply_final_readout(
circuit_n,
qreg_data,
creg_data,
qreg_ref=qreg_ref,
creg_ref=creg_ref,
)
circuits.append(circuit_n)
reps.append(i)
return circuits, np.array(reps)
num_cycles = 40
cycles_per_circuit = 4
nq_ref = 3
circuits, rep_array = build_error_correction_sequence(
num_cycles, cycles_per_circuit, nq_ref=3, delay=5
)
circuits[1].draw(output="mpl", cregbundle=False, fold=50)Output:
Paso 2: Optimizar el problema para su ejecución en hardware cuántico
Para reducir el tiempo total de ejecución de un trabajo, Qiskit primitives solo acepta circuitos y observables que se ajusten a las instrucciones y a la conectividad que admite el sistema de destino (lo que se conoce como circuitos y observables de arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA)). Más información sobre la transpilación.
Generar circuitos ISA
Empezaremos por encontrar una disposición inicial (es decir, una selección de qubits físicos a los que asignar nuestros circuitos) compilando el más largo de nuestros circuitos mediante el gestor de pasadas preconfigurado con un nivel de optimización 3.
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
pm = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=3)
isa_circuit_ref = pm.run(circuits[-1])init_layout = isa_circuit_ref.layout.initial_index_layout(
filter_ancillas=True
)
print(init_layout)Output:
[56, 44, 62, 43, 63, 22, 48, 67]
Como qubits de referencia con los que compararemos nuestra memoria cuántica lógica, elegiremos los mejores qubits disponibles en cuanto al tiempo de coherencia de amortiguación de amplitud ( ).
# get all qubits ordered by T1
t1_data = []
for i in range(backend.num_qubits):
try:
t1_us = backend.properties().t1(i) * 1e6
except Exception:
t1_us = 0.0
t1_data.append((i, t1_us))
t1_data_sorted = sorted(t1_data, key=lambda x: x[1], reverse=True)
# exclude the qubits we have already mapped the error correcting code to
t1_data_sorted = [
t1_data for t1_data in t1_data_sorted if t1_data[0] not in init_layout[:5]
]
# use the best qubits in terms of T1 for the reference qubits
init_layout = init_layout[:5] + [t1_data[0] for t1_data in t1_data_sorted[:3]]
print(init_layout)Output:
[56, 44, 62, 43, 63, 143, 131, 31]
# These are the resulting T1 times
properties = backend.properties()
print("Amplitude damping decoherence times for code data qubits:")
for q in init_layout[:3]:
t1 = properties.t1(q)
print(f"qubit {q}: T1 = {t1 * 1e6:.0f} mus")
print("\nAmplitude damping decoherence times for reference qubits:")
for q in init_layout[-3:]:
t1 = properties.t1(q)
print(f"qubit {q}: T1 = {t1 * 1e6:.0f} mus")Output:
Amplitude damping decoherence times code data qubits:
qubit 56: T1 = 322 mus
qubit 44: T1 = 263 mus
qubit 62: T1 = 290 mus
Amplitude damping decoherence times reference qubits:
qubit 143: T1 = 442 mus
qubit 131: T1 = 410 mus
qubit 31: T1 = 401 mus
# now we transpile all circuits to this initial layout; this way each circuit is run on the same qubits and we can make a fair comparison
pm = generate_preset_pass_manager(
backend=backend,
optimization_level=3,
initial_layout=init_layout,
)
isa_circuits = pm.run(circuits)isa_circuits[1].draw("mpl", cregbundle=False, fold=50)Output:
Paso 3: Ejecutar utilizando Qiskit primitives
sampler = Sampler(mode=backend)
sampler.options.environment.job_tags = ["TUT_REPCODE"]
sampler.options.max_execution_time = 600 # this workload is expected to be under 10s, but it is generally a good habit to set a max execution time (here 600s = 10m)job = sampler.run(isa_circuits, shots=1000)
print(job.job_id())job.status()Output:
'DONE'
Paso 4: Realizar el posprocesamiento y obtener el resultado en el formato clásico deseado
A continuación, compararemos las tasas de error en función del tiempo entre la memoria lógica que utiliza el código de repetición de 3 qubits, por un lado, y los qubits de referencia individuales sin codificar, por otro.
results = job.result()def correct_counts(counts_dict):
"""
Corrects the measured logical qubit encoded in the repetition code using majority vote
"""
result = {"000": 0, "111": 0}
for bitstring, count in counts_dict.items():
key = "111" if bitstring.count("1") > 1 else "000"
result[key] += count
return result
accuracy = [] # logical qubit
accuracies_ref = np.zeros(
(len(results), nq_ref)
) # accuracies on individual reference qubits
for n, pub_result in enumerate(results):
# logical accuracy (one minus error probability) for active error correction with repetition code
counts = pub_result.data.cdata.get_counts()
shots = sum(counts.values())
counts_corrected = correct_counts(counts)
accuracy.append(counts_corrected.get("111", 0) / shots)
# accuracy for individual physical reference qubits without any error correction
for i in range(nq_ref):
counts = pub_result.data.creference.slice_bits(i).get_counts()
accuracies_ref[n, i] = counts.get("1", 0) / shots
accuracy = np.array(accuracy)def error_proba_t1(N, t1):
"""
Exponential fitting function for amplitude damping vs. number of cycles
"""
t_cycle = 7.3e-6 # approximate time per cycle = 5 mus delay + 2.3 mus for error correction
return 1 - np.exp(-t_cycle * N / t1)
fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(15, 5))
ax.plot(
rep_array, (1.0 - accuracy) * 100.0, "ko-", linewidth=3, label="rep code"
)
for i in range(nq_ref):
accuracy_1q = accuracies_ref[:, i]
if i == 0:
ax.plot(
rep_array,
(1.0 - accuracy_1q) * 100.0,
"go-",
linewidth=1,
label="1q reference",
)
else:
ax.plot(rep_array, (1.0 - accuracy_1q) * 100.0, "go-", linewidth=1)
params_bf, pcov = curve_fit(
error_proba_t1, rep_array, 1.0 - accuracy, bounds=([0, 5e-3])
)
t1_bf = params_bf[0]
print(f"Best-fit effective T1 = {t1_bf * 1e6:.0f} us")
error_prob_bf = error_proba_t1(
rep_array, t1_bf
) # np.array([1 - np.exp(-t_cycle * nt/t1) for nt in rep_array])
ax.plot(rep_array, error_prob_bf * 100.0, "k--", linewidth=1)
ax.set_xlabel("error correction rounds")
ax.set_ylabel("error [%]")
ax.set_ylim(bottom=0)
ax.legend(fontsize=15);Output:
Best-fit effective T1 = 1397 us
Se observa claramente una mayor duración del estado « », incluso en comparación con los mejores qubits físicos (sin codificar). Sin embargo, hay que tener en cuenta que este experimento solo corrige un tipo de error, concretamente los cambios de estado de los bits. ¿Se puede aumentar la vida útil del qubit lógico? Quizá te interese estudiar la posibilidad de optimizar el tiempo de retardo, aumentar el tamaño del código de repetición más allá de , etc.
Próximos pasos
Si este trabajo te ha parecido interesante, quizá te interese el siguiente material:
- Curso sobre los fundamentos de la corrección de errores cuánticos : obtén más información sobre la corrección de errores cuánticos
- Tutorial sobre la detección de errores con baja sobrecarga mediante códigos espaciotemporales: aprende a utilizar las comprobaciones de Pauli para detectar errores y seleccionar muestras a posteriori