유틸리티 규모 실험 III

Note

토시나리 이토코, 타미야 오노데라, 키후미 누마타 (2024년 7월 19일)

원본 강의의 PDF를 다운로드하세요. 일부 코드 스니펫은 정적 이미지이므로 더 이상 사용되지 않을 수 있습니다.

이 첫 번째 실험을 실행하는 데 걸리는 대략적인 QPU 시간은 12m 30초입니다. 아래에 약 4m가 필요한 추가 실험이 있습니다.

(참고: 이 노트북은 오픈 플랜에서 허용된 시간 내에 평가되지 않을 수 있습니다. 양자 컴퓨팅 리소스를 현명하게 사용하세요.)

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. 소개

GHZ 상태와 Sampler 에 적용된 분포의 종류에 대해 간략하게 살펴보겠습니다. 그런 다음 이 강의의 목표를 명시적으로 설명하겠습니다.

1.1 GHZ 상태

$n$ 큐비트에 대한 GHZ 상태(그린버거-혼-자일링거 상태)는 다음과 같이 정의됩니다

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

당연히 다음과 같은 양자 회로를 사용하여 6 큐비트를 생성할 수 있습니다.

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

이전 강의를 통해 더 잘할 수 있다는 것을 알고 있지만 깊이가 너무 크지는 않습니다. 백엔드를 선택하고 이 회로를 트랜스파일해 보겠습니다.

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

이번에도 트랜스파일된 2쿼비트 깊이는 너무 크지 않습니다. 그러나 더 많은 큐비트에서 GHZ 상태로 작업하려면 회로 최적화에 대해 분명히 생각해야 합니다. Sampler 을 사용하여 실행하고 실제 양자 컴퓨터의 결과를 확인해 보겠습니다.

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:

이것은 6-큐비트 GHZ 회로의 결과입니다. 보시다시피 모든 $|0\rangle$ 및 모든 $|1\rangle$ 의 상태가 지배적이지만 오류는 상당합니다. Eagle 장치로 얼마나 큰 GHZ 회로를 만들 수 있는지, 그러면서도 올바른 상태가 50% 이상일 가능성이 있는 결과를 얻을 수 있는지 확인해 보겠습니다.

1.2 당신의 목표

20큐비트 이상의 GHZ 회로를 구축하여 측정 시 GHZ 상태의 충실도 > 0.5 참고:

Eagle 디바이스(min_num_qubits=127)를 사용하고 촬영 횟수를 40,000회로 설정해야 합니다.
execute_ghz_fidelity 함수를 사용하여 GHZ 회로를 실행하고 check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 충실도를 계산해야 합니다.

이 연습은 이 과정에서 지금까지 배운 내용을 활용하는 독립적인 연습입니다.

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()],
    }

이 노트에서는 16큐비트와 30큐비트를 사용하여 좋은 GHZ 상태를 만들기 위한 세 가지 전략을 적용합니다. 이러한 접근 방식은 이전 강의에서 이미 알고 있는 전략을 기반으로 합니다.

2. 전략 1. 잡음 인식 큐비트 선택

먼저 백엔드를 지정합니다. 특정 백엔드의 속성으로 광범위하게 작업할 것이므로 least_busy 옵션을 사용하는 대신 하나의 백엔드를 지정하는 것이 좋습니다.

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

많은 2큐비트 게이트가 포함된 회로를 만들려고 합니다. 2큐비트 게이트를 구현할 때 오류가 가장 낮은 큐비트를 사용하는 것이 합리적입니다. 보고된 2q-gate 오류를 기반으로 최적의 '큐비트 체인'을 찾는 것은 간단한 문제가 아닙니다. 하지만 사용할 최적의 큐비트를 결정하는 데 도움이 되는 몇 가지 함수를 정의할 수 있습니다.

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

위의 함수를 사용해 그래프의 모든 노드 쌍 사이에서 N 큐비트의 모든 단순 경로를 찾겠습니다(참조: all_pairs_all_simple_paths ).

그런 다음 위에서 만든 path_fidelity 함수를 사용하여 경로 충실도가 가장 높은 최적의 큐비트 체인을 찾습니다.

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)

커플링 맵 다이어그램에서 분홍색으로 표시된 최적의 큐비트 체인을 그려보겠습니다.

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 최적 큐비트 체인에 GHZ 회로를 구축하라

먼저 H 게이트를 적용할 체인 중간에 큐비트를 선택합니다. 이렇게 하면 회로의 깊이가 약 절반으로 줄어듭니다.

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

위의 작업 상태가 '완료'가 된 후 다음 셀을 실행하여 check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 결과를 표시하도록 주의하세요.

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:

이 결과는 기준을 충족하지 않습니다. 다음 아이디어로 넘어가겠습니다.

3. 전략 2. 균형 잡힌 큐비트 트리

다음 아이디어는 균형 잡힌 큐비트 트리를 찾는 것입니다. 체인이 아닌 트리를 사용하면 회로 깊이가 더 낮아져야 합니다. 그 전에 "불량" 판독 오류가 있는 노드와 "불량" 게이트 오류가 있는 에지를 커플링 그래프에서 제거합니다.

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)

불량 에지와 불량 큐비트 없이 커플링 맵 그래프를 그려보겠습니다.

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:

이전과 마찬가지로 16-비트 GHZ 상태를 만들려고 합니다.

N = 16

betweenness_centrality 함수를 호출하여 루트 노드에 대한 큐비트를 찾습니다. 사이 중심성 값이 가장 높은 노드가 그래프의 중앙에 위치합니다. 참조: https://www.rustworkx.org/tutorial/betweenness_centrality.html

또는 수동으로 선택할 수도 있습니다.

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

Output:

루트 노드에서 시작하여 BFS(폭 우선 검색)로 트리를 생성합니다. 참조: 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]

커플링 맵 다이어그램에서 분홍색으로 표시된 선택된 큐비트를 플롯해 보겠습니다.

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:

큐비트의 트리 구조를 보여드리겠습니다.

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

이제 회로의 깊이가 체인 구조의 깊이보다 훨씬 낮아졌습니다.

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

균형 잡힌 트리 구조로 기준을 성공적으로 통과했습니다!

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

Output:

이제 더 큰 GHZ 상태인 30-큐비트 GHZ 상태를 생성해 보겠습니다.

3.1 N = 30

저희는 키스킷 패턴 프레임워크를 따를 것입니다.

1단계: 양자 회로 및 연산자에 문제 매핑하기
2단계: 대상 하드웨어에 최적화
3단계: 대상 하드웨어에서 실행
4단계: 포스트 프로세스 결과

1단계: 문제를 양자 회로 및 연산자로 매핑하고 2단계: 대상 하드웨어에 최적화

여기서는 루트 노드를 수동으로 선택합니다.

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:

이 트리의 깊이는 5입니다.

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 다른 루트 노드를 수동으로 선택하십시오

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:

이 트리의 깊이는 6입니다.

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

놀랍게도 트리 깊이는 5에서 6으로 증가한 반면, 2쿼트 깊이는 9에서 8로 감소했습니다! 따라서 후자의 회로를 사용하겠습니다.

3단계: 대상 하드웨어에서 실행

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

4단계: 결과 후처리

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

보시다시피 이 결과는 기준을 충족하지 못했습니다.

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

Output:

4. 전략 3. 오류 억제 옵션으로 실행

Sampler의 ‘ V2 ’에서 오류 억제 옵션을 설정할 수 있습니다. 자세한 내용은 샘플러 노이즈 관리 가이드와 API ExecutionOptionsV2 참조 문서를 참조하십시오.

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:

결과가 개선되었지만 여전히 기준을 충족하지 못했습니다.

지금까지 세 가지 아이디어를 살펴봤습니다. 이러한 아이디어를 결합하고 확장하거나 자신만의 아이디어를 떠올려 더 나은 GHZ 회로를 만들 수 있습니다. 이제 목표를 다시 검토해 보겠습니다.

5. 당신의 목표 (요약)

측정 결과가 기준을 충족하도록 20큐비트 이상의 GHZ 회로를 구축합니다: GHZ 상태의 충실도 > 0.5.

Eagle 디바이스(예: ibm_brisbane)를 사용하고 촬영 횟수를 40,000회로 설정해야 합니다.
execute_ghz_fidelity 함수를 사용하여 GHZ 회로를 실행하고 check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 충실도를 계산해야 합니다. 기준을 충족하는 가장 큰 큐비트인 GHZ 회로를 찾아야 합니다. 아래에 코드를 작성하고 check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 결과를 표시합니다.

이제 이전 자료에서와 동일한 GHZ 워크플로우를 Heron 기기에서 구현합니다. 이를 통해 Heron 프로세서의 레이아웃과 기능에 대해 어느 정도 경험할 수 있습니다. 새로운 전략이 도입되지 않습니다.

이 다음 실험을 실행하는 데 걸리는 대략적인 QPU 시간은 4분 40초입니다.

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:

축하합니다! 유틸리티 규모의 양자 컴퓨팅에 대한 소개를 완료하셨습니다! 이제 여러분은 양자 우위를 추구하는 데 의미 있는 기여를 할 준비가 되었습니다! IBM 퀀텀®을 개인 양자 여정의 일부로 만들어 주셔서 감사합니다.

수강 후 설문조사

이 과정을 완료하신 것을 축하드립니다! 잠시 시간을 내어 다음의 간단한 설문조사에 참여하여 강좌를 개선하는 데 도움을 주세요. 여러분의 피드백은 콘텐츠 제공과 사용자 경험을 개선하는 데 사용됩니다. 감사합니다!

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