Monitoraggio, calibrazione e analisi comparativa

La calibrazione di un computer quantistico richiede l'ottimizzazione di una miriade di parametri che definiscono i segnali elettrici che azionano i gate quantistici e le operazioni di lettura. Prima che un computer quantistico venga immesso sul mercato, il processo di calibrazione iniziale prevede la regolazione accurata di ciascun parametro al fine di ottenere le migliori prestazioni possibili sulla base di benchmark pertinenti ai carichi di lavoro previsti per il computer quantistico. Una volta che un computer quantistico è stato immesso sul mercato, l'obiettivo principale è quello di mantenere prestazioni costanti per tutta la durata di vita del dispositivo. I valori ottimali di molti dei parametri calibrati rimangono stabili a tempo indeterminato, ma alcuni variano nel tempo a causa di fattori quali cambiamenti nell'ambiente dei sistemi a due livelli ( TLS ) sul chip del processore quantistico, cambiamenti nelle condizioni ambientali (ad esempio, la temperatura) nel data center o instabilità all'interno dei sistemi di controllo.

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

Monitoraggio

Parametri monitoraggio

I processi di monitoraggio dei parametri di breve durata vengono eseguiti circa una volta all’ora, inseriti automaticamente tra i processi degli utenti, utilizzando l’intero stack software del servizio di calcolo IBM Quantum. I risultati di queste operazioni vengono analizzati per verificare se alcuni parametri abbiano iniziato a discostarsi dagli intervalli accettabili, con l'obiettivo di individuare eventuali problemi prima che diventino così gravi da influire in modo evidente sulle prestazioni.

Alcuni dei parametri monitorati includono quanto segue:

• Angoli di lettura, ampiezze e soglia del discriminatore, garantendo una discriminazione accurata dello stato, basse perdite e un funzionamento stabile. Ciò include i parametri operativi dei nostri amplificatori quantistici limitati.
• Operazioni con gate a uno e due qubit, confermando che si comportano come previsto per mantenere angoli di rotazione corretti e ridurre al minimo gli errori di fase e ampiezza.
• Segni distintivi dell'attività dell' TLS.

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

Monitorare in modo olistico

Oltre ai processi che monitorano singoli parametri, esistono processi che analizzano le prestazioni del computer quantistico in modo più olistico, come i test che valutano la fedeltà degli stati di Bell generati, nonché i test sui gate frazionari e sui circuiti dinamici sui computer quantistici che supportano tali funzionalità. L'obiettivo di questi test, che vengono eseguiti anche sull'intero stack di Quantum Compute in modo intercalato con i lavori degli utenti, è quello di verificare in modo efficiente il comportamento complessivo dell'hardware e del software. Se questi test rilevano un calo significativo delle prestazioni, il computer quantistico metterà automaticamente in pausa la coda dei lavori fino alla risoluzione del problema, garantendo che i lavori degli utenti non vengano eseguiti finché il dispositivo non tornerà a funzionare come previsto.

Calibratura

Le calibrazioni vengono attivate ogni volta che i lavori di monitoraggio indicano che parametri quali l'ampiezza o l'angolo degli impulsi si sono discostati dai valori ideali. Eseguono operazioni durante tutto il giorno tra un lavoro e l'altro degli utenti, pertanto non esiste un periodo di tempo prestabilito in cui iniziano e finiscono le calibrazioni. Questi vengono eseguiti solo sui qubit/gate per i quali il monitoraggio dei parametri ha identificato problemi specifici, insieme a tutti i qubit necessari per l'esecuzione simultanea in base a specifiche regole di batching. Sulle QPU Heron, il tempo totale dedicato alle calibrazioni è in genere inferiore a due ore al giorno.

Operazioni su singolo qubit

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

• Frequenze dei qubit
• Ampiezze e fasi degli impulsi

Queste calibrazioni vengono raggruppate in batch tra i qubit interessati ed eseguite contemporaneamente, ove opportuno, con strategie di raggruppamento personalizzate per ciascun tipo di calibrazione.

Operazioni a due qubit

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

Queste calibrazioni vengono eseguite in batch di qubit non vicini per ridurre al minimo l'interferenza.

Lettura

• Angoli degli impulsi di lettura
• Parametri di discriminazione della misurazione

Queste calibrazioni vengono eseguite simultaneamente sui qubit che richiedono la calibrazione.

Come vengono programmate le calibrazioni

• Un processo di calibrazione non può essere eseguito contemporaneamente all'esecuzione di un processo o di una sessione.
• Pertanto, durante sessioni prolungate, il computer quantistico potrebbe subire una riduzione della stabilità effettiva a causa di una ricalibrazione ritardata o poco frequente.
• Due lavori inviati contemporaneamente potrebbero essere eseguiti con set di calibrazione diversi, a seconda della tempistica.

Benchmark

Il benchmarking quotidiano offre una panoramica completa delle prestazioni del computer quantistico e genera le metriche inviate agli utenti tramite Qiskit (come in backend.properties()). Aiutano gli utenti a scegliere i qubit, a ottimizzare le compilazioni e a prevedere con maggiore precisione le prestazioni attese dei circuiti. È possibile visualizzare i dati riportati sia a livello di programmazione tramite Qiskit, sia nella pagina delle risorse di calcolo (basta cliccare su una qualsiasi QPU per aprire la scheda con le informazioni dettagliate). Per ulteriori dettagli su ciascuna metrica, consulta la guida informativa sulla QPU.

Prestazioni a singolo qubit

• Benchmarking randomizzato (RB) in gruppi batch
• Tempi di coerenza per $T_1$ e $T_2$
• Metriche di fedeltà della misurazione

Prestazioni a due qubit

• EPG frazionario CZ e RZZ (Heron), ECR (Eagle) misurato da RB su tali gate

Metriche a livello di sistema

• Fedeltà di livello (EPLG), per la stringa migliore di lunghezza 100 qubit