การตรวจสอบ, การ calibrate, และ benchmarking

การ calibrate คอมพิวเตอร์ควอนตัมต้องอาศัยการ optimize พารามิเตอร์จำนวนมากที่กำหนดสัญญาณไฟฟ้าซึ่งขับเคลื่อน quantum gate และการดำเนินการ readout ก่อนที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะถูกปล่อยออกมา กระบวนการ calibrate เริ่มต้นของมันเกี่ยวข้องกับการปรับจูนพารามิเตอร์แต่ละตัวอย่างละเอียดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยอิงจาก benchmark ที่เกี่ยวข้องกับ workload ที่คาดหวังของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมถูกปล่อยออกมาแล้ว เป้าหมายหลักคือการรักษาประสิทธิภาพให้คงที่ตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ค่าที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์ที่ calibrate ไว้หลายตัวจะคงที่ไปอย่างไม่มีกำหนด แต่บางตัวก็เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาอันเป็นผลจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมของ two-level systems (TLS) บนชิป quantum processor การเปลี่ยนแปลงในสภาวะแวดล้อม (เช่น อุณหภูมิ) ในศูนย์ข้อมูล หรือความไม่เสถียรภายในระบบควบคุม

เพื่อให้มั่นใจว่าประสิทธิภาพคงที่ คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM® จะได้รับการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอเพื่อติดตามพารามิเตอร์ที่อาจ drift ไปตามเวลา รัน calibration เมื่อจำเป็น และทำ benchmarking รายวัน หน้านี้อธิบายรายละเอียดสามกระบวนการ — การตรวจสอบ, การ calibrate, และ benchmarking — ที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้มั่นใจว่ากองคอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM ยังคงเสถียร คาดการณ์ได้ และพร้อมใช้งานสำหรับผู้ใช้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การตรวจสอบ

การตรวจสอบพารามิเตอร์

งานตรวจสอบพารามิเตอร์แบบสั้นๆ จะถูกดำเนินการประมาณชั่วโมงละครั้ง โดยแทรกสลับกับ jobs ของผู้ใช้โดยอัตโนมัติ ใช้ Qiskit Runtime software stack แบบเต็ม ผลลัพธ์ของ jobs เหล่านี้จะถูกวิเคราะห์เพื่อตรวจสอบว่ามีพารามิเตอร์ใดเริ่มเบี่ยงเบนไปจากช่วงที่ยอมรับได้หรือไม่ โดยในอุดมคติคือการจับปัญหาก่อนที่มันจะมีนัยสำคัญมากพอที่จะส่งผลต่อประสิทธิภาพในระดับที่สังเกตเห็นได้

พารามิเตอร์บางส่วนที่ถูกตรวจสอบมีดังนี้:

• มุม readout, amplitudes, และ discriminator threshold เพื่อให้มั่นใจถึงการแยกแยะสถานะที่แม่นยำ leakage ที่ต่ำ และการทำงานที่เสถียร ซึ่งรวมถึงพารามิเตอร์การทำงานของ quantum limited amplifiers ของเรา
• การดำเนินการ gate แบบ single- และ two-qubit เพื่อยืนยันว่าพวกมันทำงานตามที่คาดหวังเพื่อรักษามุมการหมุนที่ถูกต้องและลด phase และ amplitude errors ให้น้อยที่สุด
• ลักษณะของกิจกรรม TLS

หากผลลัพธ์ของงานตรวจสอบเหล่านี้บ่งชี้ถึงการเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากประสิทธิภาพที่คาดหวัง calibration jobs ที่เหมาะสมจะถูกเรียกใช้งาน หากตรวจพบกิจกรรม TLS ที่รุนแรง กลยุทธ์การ calibrate สำหรับ gate ที่เกี่ยวข้องกับ qubit ที่ได้รับผลกระทบอาจถูกปรับเปลี่ยนโดยอัตโนมัติ (และอาจรวมถึงการหยุด calibration ชั่วคราว) จนกว่ากิจกรรม TLS ดังกล่าวจะลดลงกลับสู่ระดับที่ยอมรับได้

การตรวจสอบแบบองค์รวม

นอกเหนือจาก jobs ที่ตรวจสอบพารามิเตอร์แต่ละตัวแล้ว ยังมี jobs ที่ตรวจสอบประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมในเชิงองค์รวมมากขึ้น เช่น การทดสอบที่ดูที่ fidelity ของ Bell states ที่ถูกสร้างขึ้น รวมถึงการทดสอบ fractional gates และ dynamic circuits บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่รองรับฟีเจอร์เหล่านั้น เป้าหมายของการทดสอบเหล่านี้ ซึ่งรันผ่าน Qiskit Runtime stack แบบเต็มโดยแทรกสลับกับ jobs ของผู้ใช้เช่นกัน คือการตรวจสอบพฤติกรรมโดยรวมของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์อย่างมีประสิทธิภาพ หากการทดสอบเหล่านี้ตรวจพบการลดลงของประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะหยุด job queue โดยอัตโนมัติจนกว่าปัญหาจะได้รับการแก้ไข เพื่อให้มั่นใจว่า jobs ของผู้ใช้จะไม่รันจนกว่าอุปกรณ์จะทำงานได้ตามที่คาดหวังอีกครั้ง

การ calibrate

การ calibrate จะถูกเรียกใช้งานเมื่อใดก็ตามที่ jobs ตรวจสอบบ่งชี้ว่าพารามิเตอร์ เช่น pulse amplitudes หรือมุมต่างๆ ได้เบี่ยงเบนไปจากค่าที่เหมาะสม การ calibrate จะรันตลอดทั้งวันในระหว่าง jobs ของผู้ใช้ ดังนั้นจึงไม่มีช่วงเวลาที่กำหนดไว้ว่าการ calibrate จะเริ่มและสิ้นสุดเมื่อใด การ calibrate เหล่านี้จะรันเฉพาะบน qubits/gates ที่การตรวจสอบพารามิเตอร์ได้ระบุปัญหาที่เฉพาะเจาะจง พร้อมด้วย qubit ใดๆ ที่จำเป็นต้องรันในเวลาเดียวกันตามกฎ batching ที่เฉพาะเจาะจง บน Heron QPUs เวลาทั้งหมดที่ใช้ในการ calibrate โดยทั่วไปจะอยู่ที่ไม่เกินสองชั่วโมงต่อวัน

การดำเนินการ single-qubit

การ calibrate เหล่านี้ช่วยให้มั่นใจถึงการใช้งาน single-qubit gate ที่แม่นยำ: sx, x, rx (fractional) เราปรับ:

• ความถี่ของ Qubit
• pulse amplitudes และ phases

การ calibrate เหล่านี้ถูก batch ข้าม qubit ที่ได้รับผลกระทบและดำเนินการพร้อมกันในที่ที่เหมาะสม โดยมีกลยุทธ์ batching ที่ปรับให้เหมาะกับการ calibrate แต่ละประเภท

การดำเนินการ two-qubit

• amplitudes และ phases ของ CZ และ RZZ gate (สำหรับ Heron และ Nighthawk processors)
• amplitudes และ phases ของ ECR gate (สำหรับ Eagle processors)

การ calibrate เหล่านี้รันเป็น batch ของ qubit ที่ไม่ใช่ non-nearest-neighbor เพื่อลด crosstalk ให้น้อยที่สุด

Readout

• มุม readout pulse
• พารามิเตอร์การแยกแยะการวัด (Measurement discrimination)

การ calibrate เหล่านี้รันพร้อมกันบน qubit ที่ต้องการการ calibrate

การ calibrate ถูกจัดตารางอย่างไร

• calibration job ไม่สามารถรันพร้อมกันในขณะที่ job หรือ Session กำลังทำงานอยู่
• ดังนั้น ระหว่าง session ที่ยาวนาน คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจมีความเสถียรที่มีประสิทธิผลลดลงเนื่องจากการ recalibration ที่ล่าช้าหรือไม่บ่อย
• jobs สองตัวที่ submit ในเวลาเดียวกันอาจรันภายใต้ชุด calibration ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับจังหวะเวลา

Benchmarking

benchmarking รายวันให้มุมมองที่ครอบคลุมเกี่ยวกับประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมและสร้าง metric ที่ส่งให้ผู้ใช้ผ่าน Qiskit ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้เลือก qubit, optimize การ compile, และคาดการณ์ประสิทธิภาพของ Circuit ที่คาดหวังได้ดีขึ้น คุณสามารถดูตัวเลขที่รายงานได้ทั้งแบบ programmatically หรือบนหน้า Compute resources (คลิกที่ QPU ใดก็ได้เพื่อเปิดการ์ดข้อมูลรายละเอียดของมัน) ดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแต่ละ metric ได้ในเอกสาร

Device drift

ผลกระทบของ device drift (ประสิทธิภาพฮาร์ดแวร์ที่เสื่อมลงตามเวลา) ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น เมื่อใดที่ calibration ถูกรันครั้งล่าสุด การทดลองที่เฉพาะเจาะจงที่ดำเนินการ กิจกรรม TLS ใดๆ และอื่นๆ หาก workload ใดที่มีความไวต่อค่าข้อผิดพลาดของพารามิเตอร์อุปกรณ์มาก คุณสามารถทำ benchmarking พารามิเตอร์อุปกรณ์แบบ real-time ได้โดยทำตามบทช่วยสอนนี้ใน IBM Quantum Learning

ประสิทธิภาพ single-qubit

• Randomized benchmarking (RB) เป็นกลุ่มที่ถูก batch
• เวลา coherence สำหรับ $T_1$ และ $T_2$
• Measurement-fidelity metrics

ประสิทธิภาพ two-qubit

• CZ และ RZZ fractional gate EPG (Heron), ECR (Eagle) ตามที่วัดโดย RB บน gate เหล่านั้น

Metric ระดับระบบ

• Layer fidelity (EPLG) สำหรับ string ความยาว 100-qubit ที่ดีที่สุด