Évaluation de la fidélité du processus QFT+M à l'aide d'Orbit, une fonction Qiskit développée par Quantum Elements
Estimation du temps d'exécution : 2 minutes sur un processeur Heron r3. (REMARQUE : il ne s'agit que d'une estimation. (Votre temps d'exécution peut varier.) Par défaut, ce tutoriel soumet trois tâches de la fonction Orbit dans une seule charge de travail en mode batch du service de calcul d’ IBM Quantum, avec 300 PUB par tâche, soit 900 PUB et 921 600 plans au total.
Avertissement : les circuits dynamiques constituent actuellement une fonctionnalité expérimentale et sont soumis à certaines restrictions dans Quantum Compute [3] susceptibles d'entraîner l'échec des tâches. Par exemple, l'erreur 6073 indique qu'une tâche a dépassé la limite de mémoire du matériel de contrôle classique [4]. Ce notebook réduit ce risque en répartissant la taille des circuits entre trois tâches de calcul quantique au sein d'un même lot [5]. Chaque comparaison de taille fixe est traitée dans un seul travail, tandis que les tailles grandes et petites sont associées afin d'équilibrer les charges de travail en mode « contrôle classique » des travaux.
Acquis d'apprentissage
Dans le cadre de ce tutoriel, vous apprendrez à :
- Préparez les états du produit utilisés par l'estimateur de fidélité du processus par échantillonnage de la figure 2a de la référence [1].
- Réaliser des implémentations unitaires et dynamiques équivalentes de la transformée de Fourier quantique suivie d'une mesure (QFT+M).
- Sélectionnez les qubits physiques destinés aux circuits dynamiques à l'aide des données actuelles d'étalonnage et de connectivité.
- Comparez les estimations de fidélité du processus QFT+M (théorie quantique des champs et de la matière) : « unitaire brute », « dynamique brute » et « dynamique améliorée par Orbit », à mesure que la taille du circuit augmente.
- Utilisez l'API de transpilation simplifiée d'Orbit avec
mode="raw"ettranspilation_mode="validate". - Soumettez plusieurs charges de travail Orbit via l'API en mode batch, tout en regroupant chaque comparaison à trois stratégies de taille fixe au sein d'un seul travail.
- Vérifiez les métadonnées d'Orbit afin de confirmer si le découplage dynamique (DD) et l'atténuation des erreurs de mesure (MEM) ont été appliqués.
Arrière-plan
La figure 2a de la référence [1] compare la fidélité du processus du canal idéal « QFT+M » à celle d'implémentations unitaires et dynamiques soumises à du bruit. Pour une étiquette échantillonnée de base de calcul , le benchmark prépare , applique l'implémentation bruyante de QFT+M et estime la probabilité d'obtenir le résultat idéal correspondant. Ces états de la théorie quantique de champ inverse sont séparables et peuvent être préparés efficacement à l'aide de portes de Hadamard et de rotations de phase virtuelles.
Pour les étiquettes échantillonnées de manière indépendante selon une distribution de type « », le notebook utilise l'estimateur non biaisé dérivé dans la référence [1] :
Cette construction dynamique remplace les portes à phase contrôlée de la théorie quantique des champs unitaire avec masse (QFT+M) par des mesures en milieu de circuit et des rotations de phase conditionnées de manière classique [1]. En mesure différée, les deux circuits présentent la même distribution de sortie idéale. La forme dynamique supprime la nécessité d'une porte à deux qubits de type « tous-à-tous » et utilise à la place des mesures intermédiaires de type « » avec propagation vers l'avant et sans contrainte de connectivité. La mesure et la projection vers l'avant entraînent également de longues périodes d'inactivité pour les qubits qui n'ont pas encore été mesurés, ce qui rend la méthode DD particulièrement pertinente.
Lien avec la figure 2a. Ce cahier suit le protocole de fidélité au processus présenté dans l'article, mais il s'agit d'une adaptation pédagogique axée sur Orbit plutôt que d'une reproduction à part entière. Par exemple, alors que la figure 2a utilisait ibm_kyiv un dispositif comportant 2 000 tirs, nous utilisons un dispositif ibm_aachen moderne comportant un nombre réduit de tirs (1 024) afin de réduire le temps de calcul sur le QPU.
Exemple de résultats
Le graphique statique ci-dessous présente les courbes moyennes de fidélité au processus issues de trois tâches de développement consécutives exécutées selon ibm_aachen le processus décrit ci-dessous. Comme démontré ici, Orbit permet d’améliorer considérablement la qualité des circuits dynamiques; la QFT dynamique atteint le niveau de qualité des tests de référence publiés et présente une amélioration par rapport à la QFT unitaire standard. Comme nous le verrons, ces résultats découlent d'un choix judicieux et automatisé des qubits, de l'insertion automatique de mécanismes de découplage dynamique (non optimisés manuellement pour ce problème) et de l'atténuation des erreurs de mesure. Pour le plaisir, n'oubliez pas de comparer ces résultats aux vôtres à la fin, surtout si vous choisissez un backend différent.
Remarque : ces résultats constituent un aperçu illustratif d'une exécution antérieure réussie avec Orbit; ils ne constituent en aucun cas une garantie de performances. Les résultats ci-dessous devraient présenter des similitudes sur le plan qualitatif, mais les détails dépendent du périphérique choisi et de ses propriétés, notamment des erreurs de mesure et de veille, lors de l'exécution.
Exigences
Installez les versions les plus récentes des paquets suivants avant de suivre ce tutoriel :
numpymatplotlibqiskitqiskit-ibm-runtimeqiskit-ibm-catalog
pip install qiskit qiskit-ibm-runtime qiskit-ibm-catalog numpy matplotlibConfiguration
ibm_aachenConnectez-vous à IBM Quantum® Platform, lancez la charge, puis chargez Quantum Elements Orbit depuis Qiskit Functions Catalog. L'analyse par défaut porte sur 15 tailles de circuits, 20 chaînes de bits échantillonnées par taille et trois stratégies. NUM_BATCH_JOBS=3 répartit les tailles entre trois tâches au sein d'un même lot. Réduire N_VALUES ou M, ou augmenter NUM_BATCH_JOBS, si une tâche à circuit dynamique atteint toujours la limite de mémoire de contrôle classique du backend. Réduire SHOTS lorsque l'objectif est de diminuer la consommation en temps d'exécution plutôt que le nombre ou la complexité des circuits.
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,
}Output:
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}
Construire des circuits QFT+M
Pour chaque entier échantillonné , bit_inv_qft on prépare l'état produit à l'aide d'opérateurs de Hadamard suivis de rotations de phase. Le cahier ajoute ensuite soit la théorie quantique des champs unitaire standard, soit son équivalent semi-classique dynamique « QFT+M ».
Ces deux implémentations omettent le réseau d'échange final. L'ordre d'affichage classique des bits dans Qiskit fait donc que la chaîne mesurée attendue est l'inverse de la représentation binaire complétée par des zéros de , qui est codée par 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))
)Sélectionner des qubits physiques à circuit dynamique
La mise en œuvre dynamique ne nécessite pas de portes à deux qubits; ses qubits physiques n'ont donc pas besoin de former un sous-graphe connecté. Pour chaque taille de circuit, le sélecteur classe les qubits du backend actuels à l’aide d’un score pondéré à 80 % en faveur d’un taux d’erreur de lecture plus faible et à 10 % respectivement en faveur d’une « » et d’une « » plus élevées. Il choisit d’abord, dans la mesure du possible, les qubits ayant obtenu les meilleurs scores et ne présentant aucun couplage direct entre eux, ce qui permet de réduire l’exposition à la diaphonie entre voisins immédiats, puis comble les positions restantes en fonction du score.
Les dynamic/raw variantes et dynamic/orbit utilisent exactement la même mise en page sélectionnée pour une taille donnée, ce qui fait que leur comparaison dépend de la mise en page. Le unitary/raw circuit est en revanche mappé et acheminé par le transpileur, car il nécessite une connectivité à deux qubits. Ce choix, fondé sur un étalonnage en temps réel, est spécifique à ce tutoriel; il ne s'agit pas de la configuration fixe à 40 qubits ibm_kyiv utilisée pour les expériences présentées dans la figure 2a de l'article.
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:])Output:
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}]
Préparer les PUB de référence
Pour chaque (N, x) paire, le notebook transpose d'abord les circuits logiques et crée un échantillonneur PUB pour chaque stratégie :
unitary/raw: théorie quantique des champs unitaire + M sur la configuration choisie par le transpileur, avec routage selon les besoins et sans Orbit DD ni MEM.dynamic/raw: QFT+M dynamique sur les qubits physiques sélectionnés par étalonnage, sans Orbit DD ni MEM.dynamic/orbit: le même circuit dynamique transpilé sur les mêmes qubits physiques, avec les fonctions Orbit DD et MEM activées.
L' PUB, optimisée par Orbit, utilise transpilation_mode="validate" car son mappage a déjà été défini. Orbit valide le circuit physique fourni au lieu de le remapper, puis applique ses pipelines DD et MEM. Étant donné que seule la courbe dynamique améliorée nécessite l'utilisation de la mémoire MEM, cela ne doit pas être interprété comme une comparaison isolée entre la méthode DD et l'absence de DD.
Les fichiers PUB, les options « par- PUB » et les enregistrements de résultats sont stockés par index de tâche batch. unitary/rawPour chaque « » fixe, les PUB, dynamic/raw, et dynamic/orbit sont regroupés dans le même travail. L'assistant de regroupement associe des circuits de grande et de petite taille, alterne leur ordre et équilibre la somme des « » entre les trois tâches, ce qui constitue un indicateur simple de la charge de travail d'un système de contrôle classique.
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"
],
}Output:
{'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]}
Lancer le test de performance
Créez un lot, puis soumettez-y trois tâches utilisant la fonction Orbit.
Les tâches sont réparties par groupes en fonction du nombre de qubits, de manière à pouvoir comparer les trois stratégies pour une « » donnée. Autrement dit, les 60 PUB correspondant à une « » donnée — soit 20 entrées échantillonnées multipliées par les trois stratégies — s’exécutent donc dans la même tâche et peuvent ainsi être comparées de la manière la plus équitable possible (sinon, si elles étaient exécutées dans des tâches différentes, le dispositif pourrait subir une dérive pendant son passage dans la file d’attente). Les groupes par défaut combinent des circuits de grande et de petite taille et contiennent chacun 300 PUB, ce qui réduit le risque qu'une tâche accumule tous les programmes dynamiques les plus volumineux tout en préservant les comparaisons au sein de la même tâche.
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)
},
}Output:
{'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}}}
Récupérer les résultats et calculer la fidélité du processus
Récupérez et validez indépendamment chaque résultat de groupe de qubits, puis fusionnez les trois flux de tâches à l'aide de leurs enregistrements indexés par tâche. Le lot reste ouvert tant que tous les résultats des fonctions sont en cours de récupération, puis il est fermé en bloc finally une fois que chaque tâche a été exécutée. Pour chaque PUB, est la probabilité attribuée à la chaîne de bits attendue. extract_counts lit les comptes renvoyés à l'appelant; pour dynamic/orbit, il s'agit des comptes ajustés en fonction de la mémoire (MEM) lorsque l'atténuation réussit. extract_raw_counts récupère également les nombres bruts correspondants enregistrés dans les métadonnées d'Orbit. Le code regroupe les 20 valeurs de « » pour chaque (N, label) paire et applique l'estimateur présenté ci-dessus.
Le dictionnaire représenté process_fidelity graphiquement utilise donc les fréquences brutes pour unitary/raw et dynamic/raw, mais les fréquences ajustées selon la méthode MEM pour dynamic/orbit. Le dictionnaire parallèle raw_process_fidelity conserve un calcul sans ajustement pour chaque stratégie et s'avère utile pour isoler l'effet de MEM du reste du pipeline Orbit. La fonction MEM corrige l'histogramme de sortie renvoyé; elle ne peut pas modifier rétroactivement un résultat de mesure en cours de circuit qui a déjà été utilisé par la commande anticipative en temps réel.
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,
}Output:
{'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}}}
Consulter les métadonnées d'Orbit DD
Le résumé ci-dessous vérifie les dynamic/orbit métadonnées de PUB au lieu de partir du principe que le DD demandé a bien été inséré. Vérifiez l'état, la séquence DD dynamique signalée, les avertissements, ainsi que le nombre de lacunes comblées et de séquences ajoutées. Une insertion réussie devrait générer des comptes non nuls pour au moins certains PUB, mais les valeurs exactes dépendent du circuit planifié, des contraintes de synchronisation du backend et de la taille du circuit. Ces métadonnées décrivent la séquence appliquée par Orbit; elles ne doivent pas être considérées comme le protocole FC-DD de l'article, à moins que le rapport n'établisse explicitement cette équivalence.
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,
}Output:
{'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.']}]}
Tracer des courbes de fidélité du processus
Le graphique présente l'estimation ponctuelle de la fidélité du processus QFT+M, obtenue par échantillonnage, en fonction du nombre de qubits pour les trois stratégies. dynamic/raw et dynamic/orbit partagent une même configuration physique pour chaque taille; unitary/raw utilisent la configuration et le routage du transpilateur.
Contrairement à la figure 2a, ce graphique ne présente ni courbe unitaire avec DD ni bandes d'incertitude, et ses courbes brutes n'ont pas fait l'objet d'une correction liée à la lecture. Il convient de considérer ce document comme une comparaison d'échelle à l' Figure-2a-style pour ce flux de travail Orbit, et non comme une reproduction directe des courbes publiées.
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:
Références
Etapes suivantes
- Consultez le guide Orbit et la documentation de référence de l'API.
- Essayez un autre backend, une mise en page différente, ou testez d'autres séquences de découplage dynamique compatibles avec « orbit » en modifiant l'option
dd_strategy. Gardez à l'esprit qu'en raison du caractère expérimental des circuits dynamiques, vous devez être attentif aux modes de défaillance possibles (voir [3] et [4] ). Si vous constatez des valeurs d'étirement négatives [3], essayez une séquence DD plus courte (avec moins d'impulsions). Si vous rencontrez [4], augmentezNUM_BATCH_JOBS, réduisezM, ou réduisez les valeurs les plus élevées deN_VALUES.