Monitoramento, calibrações e benchmarking

A calibração de um computador quântico requer a otimização de uma infinidade de parâmetros que definem os sinais elétricos que acionam os portões quânticos e as operações de leitura. Antes do lançamento de um computador quântico, seu processo de calibração inicial envolve o ajuste minucioso de cada parâmetro para obter o melhor desempenho possível com base em benchmarks relevantes para as cargas de trabalho esperadas do computador quântico. Uma vez que um computador quântico tenha sido lançado, o objetivo principal é manter um desempenho consistente durante toda a vida útil do dispositivo. Os valores ideais de muitos dos parâmetros calibrados permanecem estáveis indefinidamente, mas alguns variam ao longo do tempo como resultado de fatores como mudanças no ambiente de sistemas de dois níveis ( TLS ) no chip do processador quântico, mudanças nas condições ambientais (por exemplo, temperatura) no centro de dados ou instabilidade nos sistemas de controle.

Para garantir um desempenho consistente, os computadores quânticos d IBM® s são monitorados frequentemente para rastrear parâmetros que podem sofrer alterações ao longo do tempo, executar calibrações quando necessário e realizar testes de benchmarking diários. Esta página detalha três processos — monitoramento, calibração e benchmarking — que trabalham em conjunto para garantir que a frota de computadores quânticos da IBM permaneça o mais estável, previsível e disponível possível para os usuários.

Monitoramento

Monitoramento de parâmetros

Tarefas breves de monitoramento de parâmetros são executadas aproximadamente uma vez por hora, intercaladas automaticamente entre as tarefas do usuário, usando a pilha completa de software Qiskit Runtime. Os resultados desses trabalhos são analisados para verificar se algum parâmetro começou a se desviar dos intervalos aceitáveis, idealmente detectando problemas antes que se tornem significativos o suficiente para afetar o desempenho de forma perceptível.

Alguns dos parâmetros monitorados incluem o seguinte:

• Ângulos de leitura, amplitudes e limiar do discriminador, garantindo uma discriminação precisa do estado, baixo vazamento e operação estável. Isso inclui os parâmetros operacionais dos nossos amplificadores limitados quânticos.
• Operações de porta de um e dois qubits, confirmando que se comportam conforme o esperado para manter ângulos de rotação corretos e minimizar erros de fase e amplitude.
• Sinais de uma atividad TLS.

Se os resultados dessas tarefas de monitoramento indicarem desvios modestos em relação ao desempenho esperado, serão iniciadas tarefas de calibração apropriadas. Se for detectada uma atividade e TLS e grave, a estratégia de calibração para portas associadas aos qubits afetados poderá ser modificada automaticamente (e poderá incluir a pausa das calibrações) até que essa atividade e TLS e diminua para níveis aceitáveis.

Monitoramento holístico

Além dos trabalhos que monitoram parâmetros individuais, há trabalhos que monitoram o desempenho do computador quântico de forma mais holística, como testes que analisam a fidelidade dos estados de Bell gerados, bem como testes de portas fracionárias e circuitos dinâmicos em computadores quânticos que suportam esses recursos. O objetivo desses testes, que também são executados em toda a pilha Qiskit Runtime intercalados com tarefas do usuário, é validar com eficiência o comportamento geral do hardware e do software. Se esses testes detectarem uma queda significativa no desempenho, o computador quântico pausará automaticamente a fila de tarefas até que o problema seja resolvido, garantindo que as tarefas dos usuários não sejam executadas até que o dispositivo volte a funcionar conforme o esperado.

Calibrando

As calibrações são acionadas sempre que as tarefas de monitoramento indicam que parâmetros como amplitudes ou ângulos de pulso se desviaram de seus valores ideais. Elas são executadas ao longo do dia entre as tarefas dos usuários e, portanto, não há um período de tempo definido para o início e o término das calibrações. Estes são executados apenas nos qubits/portas para os quais o monitoramento de parâmetros identificou problemas específicos, juntamente com quaisquer qubits necessários para serem executados ao mesmo tempo, de acordo com regras específicas de agrupamento. Nas QPUs da Heron, o tempo total gasto em calibrações é normalmente inferior a duas horas por dia.

Operações com um único qubit

Essas calibrações garantem a implementação precisa dos portões de qubit único: sx, x, rx (fracionário). Ajustamos:

• Frequências qubit
• Amplitudes e fases dos pulsos

Essas calibrações são agrupadas entre os qubits afetados e executadas simultaneamente, quando apropriado, com estratégias de agrupamento adaptadas a cada tipo de calibração.

Operações de dois qubits

• Amplitudes e fases dos portões CZ e RZZ (para processadores Heron e Nighthawk)
• Amplitudes e fases do portão ECR (para processadores Eagle)

Essas calibrações são executadas em lotes de qubits não vizinhos mais próximos para minimizar a interferência.

Leitura

• Ângulos dos pulsos de leitura
• Parâmetros de discriminação de medição

Essas calibrações são executadas simultaneamente em qubits que requerem calibração.

Como as calibrações são programadas

• Um trabalho de calibração não pode ser executado simultaneamente enquanto um trabalho ou sessão estiver em execução.
• Portanto, durante sessões longas, o computador quântico pode apresentar uma estabilidade efetiva reduzida devido a recalibrações atrasadas ou pouco frequentes.
• Dois trabalhos enviados ao mesmo tempo podem ser executados com conjuntos de calibração diferentes, dependendo do momento.

Linha de base para testes

A avaliação comparativa diária oferece uma visão abrangente do desempenho do computador quântico e gera as métricas enviadas aos usuários por meio do Qiskit. Eles ajudam os usuários a escolher qubits, otimizar compilações e antecipar melhor o desempenho esperado do circuito. Você pode visualizar os números relatados programaticamente ou na página Recursos de computação (clique em qualquer QPU para abrir seu cartão de informações detalhadas). Encontre mais detalhes sobre cada métrica na documentação.

Desempenho de qubit único

• Benchmarking aleatório (RB) em grupos agrupados
• Tempos de coerência para $T_1$ e $T_2$
• Métricas de fidelidade de medição

Desempenho de dois qubits

• EPG (Heron) e ECR (Eagle) de portas fracionárias CZ e RZZ, conforme medido por RB nessas portas

Métricas no nível do sistema

• Fidelidade de camada (EPLG), para a melhor sequência de 100 qubits