Monitorování, kalibrace a benchmarking

Kalibrace kvantového počítače vyžaduje optimalizaci celé řady parametrů definujících elektrické signály, které ovládají kvantové Gate a operace čtení. Před uvedením kvantového počítače do provozu zahrnuje počáteční proces kalibrace důkladné doladění každého parametru s cílem dosáhnout co nejlepšího výkonu na základě benchmarků relevantních pro očekávané pracovní zátěže kvantového počítače. Po uvedení kvantového počítače do provozu je hlavním cílem udržovat konzistentní výkon po celou dobu životnosti zařízení. Optimální hodnoty mnoha kalibrovaných parametrů zůstávají trvale stabilní, některé se však v průběhu času mění vlivem faktorů, jako jsou změny v prostředí dvouúrovňových systémů (TLS) na čipu kvantového procesoru, změny podmínek prostředí (například teploty) v datovém centru nebo nestabilita řídicích systémů.

Aby byl zajištěn konzistentní výkon, jsou kvantové počítače IBM® pravidelně monitorovány za účelem sledování parametrů, které mohou v čase kolísat, v případě potřeby jsou spouštěny kalibrace a každodenně probíhá benchmarking. Tato stránka popisuje tři procesy — monitorování, kalibraci a benchmarking —, které společně zajišťují, že flotila kvantových počítačů IBM zůstává co nejstabilnější, nejpředvídatelnější a co nejvíce dostupná pro uživatele.

Monitorování

Monitorování parametrů

Stručné úlohy monitorování parametrů jsou prováděny přibližně jednou za hodinu, automaticky prokládány mezi uživatelskými úlohami, a to prostřednictvím kompletního softwarového zásobníku Qiskit Runtime. Výsledky těchto úloh jsou analyzovány, aby bylo zjištěno, zda některé parametry nezačaly vybočovat z přijatelných rozsahů — ideálně se zachytí problémy dříve, než dosáhnou takové míry, která by měla znatelný dopad na výkon.

Mezi monitorované parametry patří mimo jiné:

• Úhly čtení, amplitudy a práh diskriminátoru, zajišťující přesnou diskriminaci stavů, nízký únik a stabilní provoz. Zahrnuje to provozní parametry našich kvantově omezených zesilovačů.
• Operace jedno- a dvoučásticových Gate, potvrzující jejich správné chování s cílem udržet správné úhly rotace a minimalizovat fázové a amplitudové chyby.
• Projevy aktivity TLS.

Pokud výsledky těchto monitorovacích úloh naznačují mírné odchylky od očekávaného výkonu, jsou spuštěny příslušné kalibrační úlohy. Pokud je detekována závažná aktivita TLS, může být strategie kalibrace pro Gate přidružené k postiženým qubitům automaticky upravena (a může zahrnovat pozastavení kalibrací), dokud se aktivita TLS nesníží na přijatelnou úroveň.

Holistické monitorování

Kromě úloh monitorujících jednotlivé parametry existují úlohy, které sledují výkon kvantového počítače holističtěji — například testy zaměřené na věrnost generovaných Bellových stavů, jakož i testy zlomkových Gate a dynamických Circuit na kvantových počítačích, které tyto funkce podporují. Cílem těchto testů, které rovněž probíhají přes kompletní zásobník Qiskit Runtime prokládaně s uživatelskými úlohami, je efektivně ověřovat celkové chování hardwaru a softwaru. Pokud tyto testy detekují výrazný pokles výkonu, kvantový počítač automaticky pozastaví frontu úloh, dokud nebude problém vyřešen — tím je zajištěno, že uživatelské úlohy nebudou spuštěny, dokud zařízení nepracuje dle očekávání.

Kalibrace

Kalibrace jsou spouštěny vždy, když monitorovací úlohy indikují, že parametry jako amplitudy nebo úhly pulzů se odchýlily od svých ideálních hodnot. Probíhají průběžně během dne mezi uživatelskými úlohami, takže neexistuje žádný pevně stanovený čas, kdy kalibrace začínají a končí. Spouštějí se pouze pro qubity a Gate, u nichž monitorování parametrů identifikovalo konkrétní problémy, spolu se všemi qubity, které musí běžet současně dle specifických pravidel dávkování. Na QPU Heron celkový čas strávený kalibracemi typicky nepřesahuje dvě hodiny denně.

Jednočásticové operace

Tyto kalibrace zajišťují přesnou implementaci jednočásticových Gate: sx, x, rx (zlomkové). Upravujeme:

• Frekvence qubitů
• Amplitudy a fáze pulzů

Tyto kalibrace jsou dávkovány napříč postiženými qubity a tam, kde je to vhodné, prováděny souběžně, přičemž strategie dávkování jsou přizpůsobeny každému typu kalibrace.

Dvoučásticové operace

• Amplitudy a fáze Gate CZ a RZZ (pro procesory Heron a Nighthawk)
• Amplitudy a fáze Gate ECR (pro procesory Eagle)

Tyto kalibrace jsou prováděny v dávkách qubitů, které nejsou vzájemně nejbližšími sousedy, s cílem minimalizovat přeslechy.

Čtení

• Úhly čtecích pulzů
• Parametry diskriminace měření

Tyto kalibrace jsou prováděny současně na qubitech, které kalibraci vyžadují.

Plánování kalibrací

• Kalibrační úloha nemůže běžet současně s úlohou nebo Session.
• Během dlouhých Session proto může kvantový počítač vykazovat sníženou efektivní stabilitu v důsledku opožděné nebo méně časté rekalibrace.
• Dvě úlohy odeslané ve stejný čas mohou být spuštěny pod různými sadami kalibrací v závislosti na načasování.

Benchmarking

Každodenní benchmarking poskytuje komplexní přehled o výkonu kvantového počítače a generuje metriky zasílané uživatelům prostřednictvím Qiskit. Pomáhají uživatelům vybírat qubity, optimalizovat kompilace a lépe předvídat očekávaný výkon Circuit. Reportované hodnoty si můžeš prohlédnout buď programově, nebo na stránce Compute resources (kliknutím na libovolný QPU otevřeš jeho kartu s podrobnými informacemi). Více podrobností o jednotlivých metrikách najdeš v dokumentaci.

Drift zařízení

Dopad driftu zařízení (degradace výkonu hardwaru v průběhu času) závisí na mnoha faktorech, například na tom, kdy naposledy proběhly kalibrace, na konkrétním prováděném experimentu, na aktivitě TLS a dalších. Pokud je konkrétní pracovní zátěž velmi citlivá na chybové hodnoty parametrů zařízení, můžeš provést benchmarking parametrů zařízení v reálném čase podle tohoto tutoriálu na IBM Quantum Learning.

Výkon jednočásticových operací

• Randomizovaný benchmarking (RB) v dávkových skupinách
• Koherenční časy $T_1$ a $T_2$
• Metriky věrnosti měření

Výkon dvoučásticových operací

• EPG zlomkových Gate CZ a RZZ (Heron), ECR (Eagle) měřené pomocí RB na těchto hradlo

Metriky na úrovni systému

• Vrstvená věrnost (EPLG), pro nejlepší řetězec délky 100 qubitů