Моніторинг, калібрування та бенчмаркінг

Калібрування квантового комп'ютера потребує оптимізації безлічі параметрів, що визначають електричні сигнали, які керують квантовими воротами та операціями зчитування. Перед випуском квантового комп'ютера початковий процес калібрування передбачає ретельне налаштування кожного параметра для досягнення найкращої можливої продуктивності на основі бенчмарків, відповідних очікуваним робочим навантаженням. Після випуску квантового комп'ютера основна мета — підтримувати стабільну продуктивність протягом усього терміну служби пристрою. Оптимальні значення багатьох відкаліброваних параметрів залишаються стабільними нескінченно довго, але деякі змінюються з часом внаслідок таких факторів, як зміни в середовищі дворівневих систем (TLS) на чипі квантового процесора, зміни умов навколишнього середовища (наприклад, температури) у центрі обробки даних або нестабільність у системах керування.

Щоб забезпечити стабільну продуктивність, квантові комп'ютери IBM® часто моніторяться для відстеження параметрів, які можуть дрейфувати з часом, калібруються за потреби та щодня проходять бенчмаркінг. На цій сторінці детально описано три процеси — моніторинг, калібрування та бенчмаркінг, — які разом забезпечують максимально стабільну, передбачувану та доступну для користувачів роботу парку квантових комп'ютерів IBM.

Моніторинг

Моніторинг параметрів

Короткі завдання моніторингу параметрів виконуються приблизно раз на годину, автоматично чергуючись із завданнями користувачів, з використанням повного програмного стека Qiskit Runtime. Результати цих завдань аналізуються для перевірки того, чи почали будь-які параметри відхилятися від допустимих діапазонів, в ідеалі виявляючи проблеми ще до того, як вони стануть достатньо значущими, щоб помітно вплинути на продуктивність.

До деяких параметрів, що моніторяться, належать:

• Кути зчитування, амплітуди та поріг дискримінатора, що забезпечують точне розрізнення станів, малі витоки та стабільну роботу. Це включає робочі параметри наших квантово-обмежених підсилювачів.
• Одно- та двокубітні операції воріт, підтверджуючи їх правильну роботу для підтримки коректних кутів обертання та мінімізації похибок фази та амплітуди.
• Ознаки активності TLS.

Якщо результати цих завдань моніторингу вказують на незначні відхилення від очікуваної продуктивності, запускаються відповідні калібрувальні завдання. Якщо виявлено значну активність TLS, стратегія калібрування для воріт, пов'язаних з ураженими кубітами, може автоматично змінюватися (і може включати призупинення калібрувань) доти, доки активність TLS не повернеться до прийнятних рівнів.

Комплексний моніторинг

Окрім завдань моніторингу окремих параметрів, є завдання, що відстежують продуктивність квантового комп'ютера більш комплексно: наприклад, тести, що перевіряють точність згенерованих станів Белла, а також тести дробових воріт і динамічних схем на квантових комп'ютерах, що підтримують ці функції. Мета цих тестів, які також виконуються через повний стек Qiskit Runtime в чергуванні із завданнями користувачів, — ефективно перевіряти загальну поведінку апаратного та програмного забезпечення. Якщо ці тести виявлять значне падіння продуктивності, квантовий комп'ютер автоматично призупинить чергу завдань до вирішення проблеми, гарантуючи, що завдання користувачів не виконуватимуться, доки пристрій не відновить очікувану продуктивність.

Калібрування

Калібрування запускаються щоразу, коли завдання моніторингу вказують на відхилення таких параметрів, як амплітуди або кути імпульсів від їхніх ідеальних значень. Вони виконуються протягом дня між завданнями користувачів, тому немає фіксованого часу початку та завершення калібрувань. Вони виконуються лише на кубітах/воротах, для яких моніторинг параметрів виявив конкретні проблеми, разом з будь-якими кубітами, необхідними для одночасного запуску згідно з конкретними правилами пакетування. На QPU типу Heron загальний час, витрачений на калібрування, як правило, становить менше двох годин на день.

Операції з одиночними кубітами

Ці калібрування забезпечують точну реалізацію одиночних квантових воріт: sx, x, rx (дробові). Регулюються:

• Частоти кубітів
• Амплітуди та фази імпульсів

Ці калібрування пакетуються по ураженим кубітам і виконуються паралельно там, де це доцільно, зі стратегіями пакетування, адаптованими до кожного типу калібрування.

Двокубітні операції

• Амплітуди та фази воріт CZ і RZZ (для процесорів Heron і Nighthawk)
• Амплітуди та фази воріт ECR (для процесорів Eagle)

Ці калібрування виконуються пакетами ненайближчих сусідніх кубітів для мінімізації перехресних завад.

Зчитування

• Кути імпульсів зчитування
• Параметри дискримінації вимірювань

Ці калібрування виконуються одночасно на кубітах, що потребують калібрування.

Як плануються калібрування

• Калібрувальне завдання не може виконуватися одночасно з завданням або сесією.
• Тому під час тривалих сесій квантовий комп'ютер може відчувати знижену ефективну стабільність через затримку або нечасте перекалібрування.
• Два завдання, надіслані одночасно, можуть виконуватися з різними наборами калібрувань залежно від часу.

Бенчмаркінг

Щоденний бенчмаркінг дає всебічну картину продуктивності квантового комп'ютера та генерує метрики, що надходять до користувачів через Qiskit. Вони допомагають користувачам вибирати кубіти, оптимізувати компіляцію та краще передбачати очікувану продуктивність схем. Відображувані числа можна переглянути програмно або на сторінці Compute resources (натисни на будь-який QPU, щоб відкрити детальну інформаційну картку). Детальніше про кожну метрику — в документації.

Дрейф пристрою

Вплив дрейфу пристрою (погіршення продуктивності апаратного забезпечення з часом) залежить від багатьох факторів, таких як час останнього калібрування, конкретний проведений експеримент, активність TLS тощо. Якщо конкретне робоче навантаження дуже чутливе до значень похибок параметрів пристрою, ти можеш виконати бенчмаркінг параметрів пристрою в реальному часі, дотримуючись цього туторіалу в IBM Quantum Learning.

Продуктивність одиночних кубітів

• Рандомізований бенчмаркінг (RB) у пакетних групах
• Часи когерентності $T_1$ та $T_2$
• Метрики точності вимірювань

Продуктивність двокубітних операцій

• CZ та RZZ дробові ворота EPG (Heron), ECR (Eagle) за результатами RB цих воріт

Системні метрики

• Точність шару (EPLG) для найкращого рядка довжиною 100 кубітів