ユーティリティ規模実験III

Note

糸子利成、小野寺民哉、沼田喜文（2024年7月19日）

講演の原文の PDFをダウンロードする。これらは静的画像なので、いくつかのコード・スニペットは非推奨になるかもしれないことに注意してください。

この最初の実験にかかるQPUのおおよその時間は、12m30秒である。以下に、約4mを必要とする追加の実験がある。

(注：このノートは、オープンプランで許された時間内に評価できないかもしれません。量子コンピューティングのリソースを賢く使うようにしましょう)

import qiskit

qiskit.__version__

Output:

'2.0.2'

import qiskit_ibm_runtime

qiskit_ibm_runtime.__version__

Output:

'0.40.1'

import numpy as np
import rustworkx as rx

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.visualization import plot_histogram
from qiskit.visualization import plot_gate_map
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.providers import BackendV2
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import Sampler, Estimator, Batch, SamplerOptions

1. はじめに

GHZの状態を簡単におさらいしておこう。 Sampler 、どのような分布が予想されるか。そして、このレッスンの目標を明確に述べる。

1.1 GHZ状態

$n$ のGHZ状態（Greenberger-Horne-Zeilinger状態）は次のように定義される

\frac{1}{\sqrt 2}(|0\rangle ^ {\otimes n}+ |1\rangle^ {\otimes n})

当然、以下の量子回路で6量子ビットを作ることができる。

N = 6
qc = QuantumCircuit(N, N)

qc.h(0)
for i in range(N - 1):
    qc.cx(0, i + 1)

# qc.measure_all()
qc.barrier()
qc.measure(list(range(N)), list(range(N)))

qc.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5)

Output:

print("Depth:", qc.depth())

Output:

Depth: 7

深さはそれほど大きくないが、以前のレッスンでもっとうまくやれることは分かっているはずだ。バックエンドを選び、この回路をトランスパイルしてみよう。

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(operational=True, simulator=False)
backend.name
# or
# backend = service.least_busy(operational=True)
# backend.name

Output:

'ibm_kingston'

pm = generate_preset_pass_manager(3, backend=backend)
qc_transpiled = pm.run(qc)
qc_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", qc_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    qc_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 27
Two-qubit Depth: 11

ここでもトランスパイルされた2量子ビットの深さはそれほど大きくない。しかし、より多くの量子ビットをGHZの状態で動作させるには、回路の最適化を考える必要があるのは明らかだ。 Sampler 、本物の量子コンピューターが何を返すか見てみよう。

sampler = Sampler(mode=backend)
shots = 40000
job = sampler.run([qc_transpiled], shots=shots)
job_id = job.job_id()
print(job_id)

Output:

d147y20n2txg008jvv70

job.status()

Output:

'DONE'

job = service.job(job_id)
result = job.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

これが6量子ビットのGHZ回路の結果である。ご覧のように、すべての $|0\rangle$ 'とすべての $|1\rangle$ 'の状態が支配的であるが、誤差はかなり大きい。イーグル・デバイスでどれだけ大きなGHZ回路を作れるか、しかも正しい状態が少なくとも50％以上の確率で得られるか試してみよう。

1.2 あなたの目標

20量子ビット以上のGHZ回路を作り、測定時に GHZ状態の忠実度が > 0.5 となるようにする注。

イーグルデバイス（min_num_qubits=127 ）を使用し、ショット数を40,000に設定する必要があります。
GHZ回路を execute_ghz_fidelity 関数を使って実行し、 check_ghz_fidelity_from_jobs 関数を使って忠実度を計算する必要があります。

これは、このコースでこれまでに学んだことを活用する、自主的な練習を意図したものです。

def execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit: QuantumCircuit,  # Quantum circuit to create GHZ state (Circuit after Routing or without Routing), Classical register name is "c"
    physical_qubits: list[int],  # Physical qubits to represent GHZ state
    backend: BackendV2,
    sampler_options: dict | SamplerOptions | None = None,
):
    N_SHOTS = 40_000
    N = len(physical_qubits)
    base_circuit = ghz_circuit.remove_final_measurements(inplace=False)
    # M_k measurement circuits
    mk_circuits = []
    for k in range(1, N + 1):
        circuit = base_circuit.copy()
        # change measurement basis
        for q in physical_qubits:
            circuit.rz(-k * np.pi / N, q)
            circuit.h(q)
        mk_circuits.append(circuit)

    obs = SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z" * N, physical_qubits, 1)], num_qubits=backend.num_qubits
    )
    job_ids = []
    pm1 = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
    org_transpiled = pm1.run(ghz_circuit)
    mk_transpiled = pm1.run(mk_circuits)
    with Batch(backend=backend):
        sampler = Sampler(options=sampler_options)
        sampler.options.twirling.enable_measure = True
        job = sampler.run([org_transpiled], shots=N_SHOTS)
        job_ids.append(job.job_id())
        # print(f"Sampler job id: {job.job_id()}, shots={N_SHOTS}")
        estimator = Estimator()  # TREX is applied as default
        estimator.options.dynamical_decoupling.enable = True
        estimator.options.execution.rep_delay = 0.0005
        estimator.options.twirling.enable_measure = True
        job2 = estimator.run([(circ, obs) for circ in mk_transpiled], precision=1 / 100)
        job_ids.append(job2.job_id())
        # print("Estimator job id:", job2.job_id())
        return [job.job_id(), job2.job_id()]

def check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job,
    estimator_job,
    num_qubits,
    shots=40_000,
):
    N = num_qubits
    sampler_result = sampler_job.result()
    counts = sampler_result[0].data.c.get_counts()
    all_zero = counts.get("0" * N, 0) / shots
    all_one = counts.get("1" * N, 0) / shots
    top3 = sorted(counts, key=counts.get, reverse=True)[:3]
    print(
        f"N={N}: |00..0>: {counts.get('0'*N, 0)}, |11..1>: {counts.get('1'*N, 0)}, |3rd>: {counts.get(top3[2], 0)} ({top3[2]})"
    )
    print(f"P(|00..0>)={all_zero}, P(|11..1>)={all_one}")

    estimator_result = estimator_job.result()
    non_diagonal = (1 / N) * sum(
        (-1) ** k * estimator_result[k - 1].data.evs for k in range(1, N + 1)
    )
    print(f"REM: Coherence (non-diagonal): {non_diagonal:.6f}")
    fidelity = 0.5 * (all_zero + all_one + non_diagonal)
    sigma = 0.5 * np.sqrt(
        (1 - all_zero - all_one) * (all_zero + all_one) / shots
        + sum(estimator_result[k].data.stds ** 2 for k in range(N)) / (N * N)
    )
    print(f"GHZ fidelity = {fidelity:.6f} ± {sigma:.6f}")
    if fidelity - 2 * sigma > 0.5:
        print("GME (genuinely multipartite entangled) test: Passed")
    else:
        print("GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed")
    return {
        "fidelity": fidelity,
        "sigma": sigma,
        "shots": shots,
        "job_ids": [sampler_job.job_id(), estimator_job.job_id()],
    }

このノートブックでは、16量子ビットと30量子ビットを使って良いGHZ状態を作るための3つの戦略を適用する。これらのアプローチは、これまでのレッスンですでに知っているストラテジーを土台にしたものです。

2. 戦略 1. ノイズを考慮した量子ビット選択

まずバックエンドを指定する。特定のバックエンドのプロパティを広範囲に扱うことになるので、 least_busy オプションを使用するのではなく、1つのバックエンドを指定することをお勧めします。

backend = service.backend("ibm_strasbourg")  # eagle
twoq_gate = "ecr"
print(f"Device {backend.name} Loaded with {backend.num_qubits} qubits")
print(f"Two Qubit Gate: {twoq_gate}")

Output:

Device ibm_strasbourg Loaded with 127 qubits
Two Qubit Gate: ecr

私たちは、多数の2量子ビットゲートを含む回路を作ろうとしている。 2量子ビットのゲートを実装する際に、最も誤差の少ない量子ビットを使うことは理にかなっている。報告された 2q-gate のエラーに基づいて最適な "量子ビット鎖 "を見つけることは、非自明な問題である。しかし、使用する最適な量子ビットを決定するのに役立ついくつかの関数を定義することはできる。

coupling_map = backend.target.build_coupling_map(twoq_gate)
G = coupling_map.graph

def to_edges(path):  # create edges list from node paths
    edges = []
    prev_node = None
    for node in path:
        if prev_node is not None:
            if G.has_edge(prev_node, node):
                edges.append((prev_node, node))
            else:
                edges.append((node, prev_node))
        prev_node = node
    return edges


def path_fidelity(path, correct_by_duration: bool = True, readout_scale: float = None):
    """Compute an estimate of the total fidelity of 2-qubit gates on a path.
    If `correct_by_duration` is true, each gate fidelity is worsen by
    scale = max_duration / duration, that is, gate_fidelity^scale.
    If `readout_scale` > 0 is supplied, readout_fidelity^readout_scale
    for each qubit on the path is multiplied to the total fielity.
    The path is given in node indices form, for example, [0, 1, 2].
    An external function `to_edges` is used to obtain edge list, for example, [(0, 1), (1, 2)]."""
    path_edges = to_edges(path)
    max_duration = max(backend.target[twoq_gate][qs].duration for qs in path_edges)

    def gate_fidelity(qpair):
        duration = backend.target[twoq_gate][qpair].duration
        scale = max_duration / duration if correct_by_duration else 1.0
        # 1.25 = (d+1)/d with d = 4
        return max(0.25, 1 - (1.25 * backend.target[twoq_gate][qpair].error)) ** scale

    def readout_fidelity(qubit):
        return max(0.25, 1 - backend.target["measure"][(qubit,)].error)

    total_fidelity = np.prod(
        [gate_fidelity(qs) for qs in path_edges]
    )  # two qubits gate fidelity for each path
    if readout_scale:
        total_fidelity *= (
            np.prod([readout_fidelity(q) for q in path]) ** readout_scale
        )  # multiply readout fidelity
    return total_fidelity


def flatten(paths, cutoff=None):  # cutoff is for not making run time too large
    return [
        path
        for s, s_paths in paths.items()
        for t, st_paths in s_paths.items()
        for path in st_paths[:cutoff]
        if s < t
    ]

N = 16  # Number of qubits to use in the GHZ circuit
num_qubits_in_chain = N

上記の関数を用いて、グラフ内の全てのノードのペア間のN量子ビットの全ての単純パスを求める（参考： all_pairs_all_simple_paths ）。

次に、上記で作成した path_fidelity 関数を用いて、最大のパス忠実度を持つ最良の量子ビット鎖を見つける。

from functools import partial

%%time
paths = rx.all_pairs_all_simple_paths(
    G.to_undirected(multigraph=False),
    min_depth=num_qubits_in_chain,
    cutoff=num_qubits_in_chain,
)
paths = flatten(paths, cutoff=25)  # If you have time, you could set a larger cutoff.
if not paths:
    raise Exception(
        f"No qubit chain with length={num_qubits_in_chain} exists in {backend.name}. Try smaller num_qubits_in_chain."
    )

print(f"Selecting the best from {len(paths)} candidate paths")

best_qubit_chain = max(
    paths, key=partial(path_fidelity, correct_by_duration=True, readout_scale=1.0)
)
assert len(best_qubit_chain) == num_qubits_in_chain
print(f"Predicted (best possible) process fidelity: {path_fidelity(best_qubit_chain)}")

Output:

Selecting the best from 6046 candidate paths
Predicted (best possible) process fidelity: 0.8929026784775056
CPU times: user 284 ms, sys: 10.9 ms, total: 295 ms
Wall time: 295 ms

np.array(best_qubit_chain)

Output:

array([55, 49, 48, 47, 46, 45, 54, 64, 65, 66, 73, 85, 86, 87, 88, 89],
      dtype=uint64)

ピンクで示した最良の量子ビット鎖をカップリング・マップ図にプロットしてみよう。

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in best_qubit_chain:
        qubit_color.append("#ff00dd")  # pink
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
plot_gate_map(
    backend, qubit_color=qubit_color, qubit_size=50, font_size=25, figsize=(6, 6)
)

Output:

2.1 最適な量子ビットチェーン上にGHZ回路を構築する

最初にHゲートを適用する量子ビットをチェーンの真ん中に選ぶ。これで回路の奥行きは約半分になるはずだ。

ghz1 = QuantumCircuit(max(best_qubit_chain) + 1, N)
ghz1.h(best_qubit_chain[N // 2])
for i in range(N // 2, 0, -1):
    ghz1.cx(best_qubit_chain[i], best_qubit_chain[i - 1])
for i in range(N // 2, N - 1, +1):
    ghz1.cx(best_qubit_chain[i], best_qubit_chain[i + 1])
ghz1.barrier()  # for visualization
ghz1.measure(best_qubit_chain, list(range(N)))
ghz1.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5, fold=-1)

Output:

ghz1.depth()

Output:

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz1_transpiled = pm.run(ghz1)
ghz1_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", ghz1_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz1_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 27
Two-qubit Depth: 8

opts = SamplerOptions()

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz1,
    physical_qubits=best_qubit_chain,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

Output:

DONE DONE

check_ghz_fidelity_from_jobs 関数を使用して結果を表示するには、上記のジョブのステータスが「DONE」になった後、次のセルを実行するように注意してください。

N = 16
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

Output:

N=16: |00..0>: 153, |11..1>: 8681, |3rd>: 2262 (1111111111101111)
P(|00..0>)=0.003825, P(|11..1>)=0.217025
REM: Coherence (non-diagonal): 0.073809
GHZ fidelity = 0.147329 ± 0.002438
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

この結果は基準を満たしていない。次のアイデアに移ろう。

3. 戦略 2. 量子ビットの平衡木構造

次のアイデアは、量子ビットのバランスツリーを見つけることだ。チェーンではなくツリーを使うことで、回路の奥行きは低くなるはずだ。その前に、"悪い "読み出しエラーを持つノードと "悪い "ゲートエラーを持つエッジを結合グラフから削除する。

BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD = 0.1
BAD_ECRGATE_ERROR_THRESHOLD = 0.1
bad_readout_qubits = [
    q
    for q in range(backend.num_qubits)
    if backend.target["measure"][(q,)].error > BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD
]
bad_ecrgate_edges = [
    qpair
    for qpair in backend.target["ecr"]
    if backend.target["ecr"][qpair].error > BAD_ECRGATE_ERROR_THRESHOLD
]
print("Bad readout qubits:", bad_readout_qubits)
print("Bad ECR gates:", bad_ecrgate_edges)

Output:

Bad readout qubits: [19, 28, 41, 72, 91, 114, 120]
Bad ECR gates: []

g = backend.coupling_map.graph.copy().to_undirected()
g.remove_edges_from(
    bad_ecrgate_edges
)  # remove edge first (otherwise might fail with a NoEdgeBetweenNodes error)
g.remove_nodes_from(bad_readout_qubits)

悪いエッジと悪い量子ビットを除いたカップリング・マップ・グラフを描いてみよう。

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_ecrgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")  # white
    else:
        line_color.append("#888888")  # gray
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

Output:

先ほどと同じように、16量子ビットのGHZ状態を作ってみる。

N = 16

ルート・ノードの量子ビットを見つけるために、 betweenness_centrality 関数を呼び出す。中心性（betweenness centrality）が最も高いノードはグラフの中心にある。参考までに： https://www.rustworkx.org/tutorial/betweenness_centrality.html

あるいは手動で選択することもできる。

# central = 65 #Select the center node manually
c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
central = max(c_degree, key=c_degree.get)
central

Output:

ルート・ノードから始めて、幅優先探索(BFS)によって木を生成する。参照 https://qiskit.org/ecosystem/rustworkx/apiref/rustworkx.bfs_search.html #rustworkx-bfs-search

class TreeEdgesRecorder(rx.visit.BFSVisitor):
    def __init__(self, N):
        self.edges = []
        self.N = N

    def tree_edge(self, edge):
        self.edges.append(edge)
        if len(self.edges) >= self.N - 1:
            raise rx.visit.StopSearch()


vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
# print('Tree edges:', vis.edges)

print("Qubits selected:", best_qubits)

Output:

Qubits selected: [54, 55, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 73, 83, 84, 85, 86, 87]

ピンクで示した選択された量子ビットをカップリング・マップ図にプロットしてみよう。

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")  # pink
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

Output:

量子ビットの木構造を示してみよう。

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

Output:

ghz2 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz2.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz2.cx(u, v)
ghz2.barrier()  # for visualization
ghz2.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz2.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5)

Output:

ghz2.depth()

Output:

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz2_transpiled = pm.run(ghz2)
ghz2_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", ghz2_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz2_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 22
Two-qubit Depth: 6

回路の奥行きは、チェーン構造よりもはるかに低くなっている。

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz2,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

Output:

DONE DONE

N = 16
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

Output:

N=16: |00..0>: 9509, |11..1>: 10978, |3rd>: 1795 (1111110111111111)
P(|00..0>)=0.237725, P(|11..1>)=0.27445
REM: Coherence (non-diagonal): 0.606515
GHZ fidelity = 0.559345 ± 0.003188
GME (genuinely multipartite entangled) test: Passed

バランスの取れたツリー構造で基準をクリアすることに成功した！

result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

では、より大きなGHZ状態、つまり30量子ビットのGHZ状態を作ってみよう。

3.1 N = 30

私たちは Qiskitパターンのフレームワークに従う。

ステップ1：問題を量子回路と演算子にマップする
ステップ2：ターゲット・ハードウェアに最適化する
ステップ3：ターゲット・ハードウェア上での実行
ステップ4：結果の後処理

ステップ1：問題を量子回路と演算子にマッピングするステップ2：対象ハードウェア向けに最適化する

ここではルートノードを手動で選択する。

central = 62  # Select the center node manually
# c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
# central = max(c_degree, key=c_degree.get)
# central

N = 30

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Output:

Qubits selected: [34, 35, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 53, 54, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 71, 73, 77, 84, 85, 86]

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_ecrgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")
    else:
        line_color.append("#888888")
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

Output:

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

Output:

この木の深さは5だ。

ghz3 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz3.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz3.cx(u, v)
ghz3.barrier()  # for visualization
ghz3.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz3.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

ghz3.depth()

Output:

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz3_transpiled = pm.run(ghz3)
ghz3_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", ghz3_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz3_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 31
Two-qubit Depth: 9

3.2 別のルートノードを手動で選択してください

central = 54

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Output:

Qubits selected: [23, 24, 25, 34, 35, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 54, 55, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 73, 84, 85, 86]

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

Output:

この木の深さは6。

ghz3 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz3.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz3.cx(u, v)
ghz3.barrier()  # for visualization
ghz3.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz3.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

ghz3.depth()

Output:

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz3_transpiled = pm.run(ghz3)
ghz3_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", ghz3_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz3_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 30
Two-qubit Depth: 9

驚くべきことに、ツリーの深さは5から6に増加したが、2量子ビットの深さは9から8に減少した！そこで、後者の回路を使ってみよう。

ステップ3: 対象ハードウェア上で実行する

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz3,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

Output:

DONE DONE

ステップ4：結果の後処理

N = 30
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

Output:

N=30: |00..0>: 4, |11..1>: 218, |3rd>: 265 (111111111111111011111111111111)
P(|00..0>)=0.0001, P(|11..1>)=0.00545
REM: Coherence (non-diagonal): 0.187073
GHZ fidelity = 0.096312 ± 0.003254
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

ご覧の通り、この結果は基準を満たしていない。

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

4. 戦略3. エラー抑制オプションを有効にして実行する

Samplerの V2 で、エラー抑制オプションを設定できます。詳細については、『 Sampler ノイズ管理ガイド』および API ExecutionOptionsV2 リファレンスを参照してください。

opts = SamplerOptions()
opts.dynamical_decoupling.enable = True
opts.execution.rep_delay = 0.0005
opts.twirling.enable_gates = True

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz3,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

Output:

DONE DONE

N = 30

# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

Output:

N=30: |00..0>: 1459, |11..1>: 1543, |3rd>: 359 (111111111111111111111111111110)
P(|00..0>)=0.036475, P(|11..1>)=0.038575
REM: Coherence (non-diagonal): 0.165532
GHZ fidelity = 0.120291 ± 0.003369
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

結果は改善されたが、まだ基準を満たしていない。

これまで3つのアイデアを見てきた。これらのアイデアを組み合わせて拡張することもできるし、より良いGHZ回路を作るために独自のアイデアを思いつくこともできる。ここでもう一度、ゴールを確認しよう。

5. あなたの目標（再確認）

20量子ビット以上のGHZ回路を作り、測定結果が基準を満たすようにする：GHZ状態の忠実度 > 0.5。

イーグルデバイス（ ibm_brisbane など）を使用し、ショット数を40,000に設定する必要があります。
GHZ回路を execute_ghz_fidelity 関数を使って実行し、 check_ghz_fidelity_from_jobs 関数を使って忠実度を計算する必要があります。条件を満たす最大の量子ビット-GHZ回路を見つける必要がある。以下にコードを書き、結果を関数 check_ghz_fidelity_from_jobs で示す。

ここで、先の資料と同じGHZワークフローを、ヘロンデバイスに実装する。これにより、ヘロン・プロセッサーズのレイアウトや機能をある程度経験することができる。新しい戦略は導入されていない。

次の実験にかかるQPUのおおよその時間は4m40秒。

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.backend("ibm_kingston")
# backend = service.backend("ibm_fez")

twoq_gate = "cz"
print(f"Device {backend.name} Loaded with {backend.num_qubits} qubits")
print(f"Two Qubit Gate: {twoq_gate}")

Output:

Device ibm_kingston Loaded with 156 qubits
Two Qubit Gate: cz

BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD = 0.1
BAD_CZGATE_ERROR_THRESHOLD = 0.1
bad_readout_qubits = [
    q
    for q in range(backend.num_qubits)
    if backend.target["measure"][(q,)].error > BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD
]
bad_czgate_edges = [
    qpair
    for qpair in backend.target["cz"]
    if backend.target["cz"][qpair].error > BAD_CZGATE_ERROR_THRESHOLD
]
print("Bad readout qubits:", bad_readout_qubits)
print("Bad CZ gates:", bad_czgate_edges)

Output:

Bad readout qubits: [112, 113, 120, 131, 146]
Bad CZ gates: [(111, 112), (112, 111), (112, 113), (113, 112), (120, 121), (121, 120), (130, 131), (131, 130), (145, 146), (146, 145), (146, 147), (147, 146)]

g = backend.coupling_map.graph.copy().to_undirected()
g.remove_edges_from(
    bad_czgate_edges
)  # remove edge first (otherwise might fail with a NoEdgeBetweenNodes error)
g.remove_nodes_from(bad_readout_qubits)

qubit_color = []
for i in range(backend.num_qubits):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_czgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")  # white
    else:
        line_color.append("#888888")  # gray
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=60,
    font_size=30,
    figsize=(10, 10),
)

Output:

N = 40
central = 100  # Select the center node manually
# c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
# central = max(c_degree, key=c_degree.get)
# central

class TreeEdgesRecorder(rx.visit.BFSVisitor):
    def __init__(self, N):
        self.edges = []
        self.N = N

    def tree_edge(self, edge):
        self.edges.append(edge)
        if len(self.edges) >= self.N - 1:
            raise rx.visit.StopSearch()


vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Output:

Qubits selected: [61, 65, 76, 77, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 96, 97, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 116, 117, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 136, 140, 141, 142, 143, 144, 145]

qubit_color = []
for i in range(backend.num_qubits):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_czgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")
    else:
        line_color.append("#888888")
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=60,
    font_size=30,
    figsize=(10, 10),
)

Output:

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

Output:

ghz_h = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz_h.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz_h.cx(u, v)
ghz_h.barrier()  # for visualization
ghz_h.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz_h.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

ghz_h.depth()

Output:

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz_h_transpiled = pm.run(ghz_h)
ghz_h_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

Output:

print("Depth:", ghz_h_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz_h_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Output:

Depth: 45
Two-qubit Depth: 13

opts = SamplerOptions()
opts.dynamical_decoupling.enable = True
opts.execution.rep_delay = 0.0005
opts.twirling.enable_gates = True

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz_h,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

Output:

RUNNING RUNNING

# Check fidelity from job IDs
N = 40
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

Output:

N=40: |00..0>: 3186, |11..1>: 3277, |3rd>: 620 (1111111011111111111111111111111111111111)
P(|00..0>)=0.07965, P(|11..1>)=0.081925
REM: Coherence (non-diagonal): 0.029987
GHZ fidelity = 0.095781 ± 0.002619
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

Output:

おめでとうございます! ユーティリティスケールの量子コンピューティングの紹介は終わった！あなたは今、量的優位の追求において有意義な貢献をする態勢を整えている！ IBM Quantum® をあなたの量子的な旅の一部にしていただき、ありがとうございます。

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