Tensor-Netzwerk-Fehlerminderung (TEM): Eine Qiskit Function von Algorithmiq

Hinweis

Qiskit Functions sind ein experimentelles Feature, das ausschließlich Nutzerinnen und Nutzern des IBM Quantum® Premium Plan, Flex Plan und On-Prem (über die IBM Quantum Platform API) zur Verfügung steht. Sie befinden sich im Preview-Status und können sich noch ändern.

Paketversionen

Der Code auf dieser Seite wurde mit den folgenden Anforderungen entwickelt. Wir empfehlen, diese oder neuere Versionen zu verwenden.

qiskit[all]~=2.3.0
qiskit-ibm-catalog~=0.11.0

Überblick

Die Tensor-Netzwerk-Fehlerminderungsmethode (TEM) von Algorithmiq ist ein hybrides quanten-klassisches Verfahren, das Rauschminderung vollständig in der klassischen Nachverarbeitungsphase durchführt. Mit TEM kannst du Erwartungswerte von Observablen berechnen und dabei die unvermeidlichen rauschbedingten Fehler auf Quantenhardware mit verbesserter Genauigkeit und Kosteneffizienz mindern – eine attraktive Option für Quantenforscher und Industriepraktiker gleichermaßen.

Die Methode besteht darin, ein Tensor-Netzwerk zu konstruieren, das die Inverse des globalen Rauschkanals darstellt, der den Zustand des Quantenprozessors beeinflusst, und diese Abbildung dann auf informationsvollständige Messergebnisse anzuwenden, die aus dem verrauschten Zustand gewonnen wurden, um unverzerrte Schätzer für die Observablen zu erhalten.

Als Vorteil nutzt TEM informationsvollständige Messungen, um Zugang zu einer großen Menge gemilderter Erwartungswerte von Observablen zu erhalten, und hat optimalen Sampling-Overhead auf der Quantenhardware, wie in Filippov et al. (2023), arXiv:2307.11740, und Filippov et al. (2024), arXiv:2403.13542 beschrieben. Der Mess-Overhead bezieht sich auf die Anzahl zusätzlicher Messungen, die für eine effiziente Fehlerminderung erforderlich sind – ein entscheidender Faktor für die Durchführbarkeit von Quantenberechnungen. Daher hat TEM das Potenzial, einen Quantenvorteil in komplexen Szenarien zu ermöglichen, etwa bei Anwendungen in den Bereichen Quantenchaos, Vielteilchenphysik, Hubbard-Dynamik und Simulationen kleiner Molekülchemie.

Die wichtigsten Merkmale und Vorteile von TEM lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Optimaler Mess-Overhead: TEM ist optimal hinsichtlich der theoretischen Schranken, d. h. keine andere Methode kann einen geringeren Mess-Overhead erzielen. Anders gesagt benötigt TEM die minimale Anzahl zusätzlicher Messungen für die Fehlerminderung. Das bedeutet wiederum, dass TEM die Quantenlaufzeit minimiert.
Kosteneffizienz: Da TEM die Rauschminderung vollständig in der Nachverarbeitungsphase übernimmt, müssen dem Quantencomputer keine zusätzlichen Circuits hinzugefügt werden. Das macht die Berechnung nicht nur günstiger, sondern verringert auch das Risiko, durch die Unvollkommenheiten von Quantengeräten zusätzliche Fehler einzuführen.
Schätzung mehrerer Observablen: Dank informationsvollständiger Messungen schätzt TEM effizient mehrere Observablen mit denselben Messdaten vom Quantencomputer.
Messfehlerminderung: Die TEM Qiskit Function enthält außerdem eine proprietäre Methode zur Messfehlerminderung, die Auslesfehler nach einem kurzen Kalibrierungslauf deutlich reduzieren kann.
Genauigkeit: TEM verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit digitaler Quantensimulationen erheblich und macht Quantenalgorithmen präziser und verlässlicher.

Beschreibung

Die TEM-Funktion ermöglicht es dir, fehlergeminderte Erwartungswerte für mehrere Observablen eines Quantum Circuits mit minimalem Sampling-Overhead zu berechnen. Der Circuit wird mit einer informationsvollständigen positiven operatorwertigen Maßnahme (IC-POVM) gemessen, und die gesammelten Messergebnisse werden auf einem klassischen Computer verarbeitet. Diese Messung wird verwendet, um die Tensor-Netzwerk-Methoden durchzuführen und eine rausch-invertierende Abbildung aufzubauen. Die Funktion wendet eine Abbildung an, die den gesamten verrauschten Circuit vollständig invertiert, indem Tensor-Netzwerke zur Darstellung der verrauschten Schichten verwendet werden.

TEM-Schemata

Sobald die Circuits an die Funktion übermittelt werden, werden sie transpiliert und optimiert, um die Anzahl der Schichten mit Zwei-Qubit-Gates zu minimieren (den rauschintensiveren Gates auf Quantengeräten). Das die Schichten beeinflussende Rauschen wird über Qiskit Runtime mithilfe eines spärlichen Pauli-Lindblad-Rauschmodells erlernt, wie in E. van den Berg, Z. Minev, A. Kandala, K. Temme, Nat. Phys. (2023) beschrieben. arXiv:2201.09866.

Das Rauschmodell ist eine genaue Beschreibung des Rauschens auf dem Gerät und kann subtile Merkmale erfassen, einschließlich Qubit-Übersprechen. Allerdings kann das Rauschen auf den Geräten schwanken und driften, sodass das erlernte Rauschmodell zum Zeitpunkt der Schätzung möglicherweise nicht mehr akkurat ist. Das kann zu ungenauen Ergebnissen führen.

Erste Schritte

Authentifiziere dich mit deinem IBM Quantum Platform API-Schlüssel und wähle die TEM-Funktion wie folgt aus. (Dieser Codeausschnitt setzt voraus, dass du dein Konto bereits in deiner lokalen Umgebung gespeichert hast.)

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q qiskit qiskit-ibm-catalog

from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog

tem_function_name = "algorithmiq/tem"

catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")

# Load your function
tem = catalog.load(tem_function_name)

Beispiel

Der folgende Codeausschnitt zeigt ein Beispiel, bei dem TEM verwendet wird, um die Erwartungswerte einer Observablen für einen einfachen Quantum Circuit zu berechnen.

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp

# Create a quantum circuit
qc = QuantumCircuit(3)
qc.u(0.4, 0.9, -0.3, 0)
qc.u(-0.4, 0.2, 1.3, 1)
qc.u(-1.2, -1.2, 0.3, 2)
for _ in range(2):
    qc.barrier()
    qc.cx(0, 1)
    qc.cx(2, 1)
    qc.barrier()
    qc.u(0.4, 0.9, -0.3, 0)
    qc.u(-0.4, 0.2, 1.3, 1)
    qc.u(-1.2, -1.2, 0.3, 2)

# Define the observables
observable = SparsePauliOp("IYX", 1.0)

# Define the execution options
pub = (qc, [observable])
options = {"default_precision": 0.02}

# Define backend to use. TEM will choose the least-busy device reported by IBM if not specified
backend_name = "ibm_torino"

job = tem.run(pubs=[pub], backend_name=backend_name, options=options)

Verwende die Qiskit Serverless APIs, um den Status deines Qiskit Function-Workloads zu überprüfen:

print(job.status())

QUEUED

Du kannst die Ergebnisse wie folgt abrufen:

result = job.result()
evs = result[0].data.evs

info

Der erwartete Wert für den rauschfreien Circuit für den angegebenen Operator sollte etwa 0.18409094298943401 betragen.

Eingaben

Parameter

Name	Typ	Beschreibung	Erforderlich	Standard	Beispiel
`pubs`	Iterable[EstimatorPubLike]	Ein iterierbares Objekt aus PUB-ähnlichen (primitive unified bloc) Objekten, z. B. Tupeln `(circuit, observables)` oder `(circuit, observables, parameters, precision)`. Weitere Informationen findest du unter Überblick über PUBs. Wird ein Nicht-ISA-Circuit übergeben, wird er mit optimalen Einstellungen transpiliert. Bei einem ISA-Circuit wird keine Transpilierung durchgeführt; in diesem Fall muss die Observable auf dem gesamten QPU definiert sein.	Ja	k. A.	(circuit, observables)
`backend_name`	str	Name des Backends, an das die Anfrage gesendet wird.	Nein	Wenn nicht angegeben, wird das am wenigsten ausgelastete Backend verwendet.	"ibm_fez"
`options`	dict	Eingabeoptionen. Weitere Details im Abschnitt `Options`.	Nein	Weitere Details im Abschnitt `Options`.	{"max_bond_dimension": 100\}

vorsicht

TEM hat derzeit folgende Einschränkungen:

Parametrisierte Circuits werden nicht unterstützt. Das parameters-Argument sollte auf None gesetzt werden, wenn precision angegeben ist. Diese Einschränkung wird in zukünftigen Versionen aufgehoben.
Nur Circuits ohne Schleifen werden unterstützt. Diese Einschränkung wird in zukünftigen Versionen aufgehoben.
Nicht-unitäre Gates wie Reset, Measure und alle Formen von Kontrollfluss werden nicht unterstützt. Unterstützung für Reset wird in kommenden Releases hinzugefügt.

Optionen

Ein Dictionary mit den erweiterten Optionen für TEM. Das Dictionary kann die Schlüssel aus der folgenden Tabelle enthalten. Wenn eine Option nicht angegeben wird, wird der in der Tabelle aufgeführte Standardwert verwendet. Die Standardwerte eignen sich gut für die typische Nutzung von TEM.

Name	Auswahlmöglichkeiten	Beschreibung	Standard
`tem_max_bond_dimension`	int	Die maximale Bond-Dimension, die für die Tensor-Netzwerke verwendet wird.	500
`tem_compression_cutoff`	float	Der Cutoff-Wert für die Tensor-Netzwerke.	1e-16
`compute_shadows_bias_from_observable`	bool	Ein boolesches Flag, das angibt, ob der Bias für das klassische Shadows-Messprotokoll auf die PUB-Observable zugeschnitten werden soll. Bei False wird das klassische Shadows-Protokoll verwendet (gleiche Wahrscheinlichkeit für Z, X, Y).	False
`shadows_bias`	np.ndarray	Der Bias für das randomisierte klassische Shadows-Messprotokoll; ein 1D- oder 2D-Array der Größe 3 bzw. der Form (num_qubits, 3). Reihenfolge: ZXY	np.array([1 / 3, 1 / 3, 1 / 3])
`max_execution_time`	int oder `None`	Die maximale Ausführungszeit auf dem QPU in Sekunden. Wenn die Laufzeit diesen Wert überschreitet, wird der Job abgebrochen. Bei `None` gilt ein von Qiskit Runtime gesetztes Standardlimit.	`None`
`num_randomizations`	int	Die Anzahl der Randomisierungen für das Rauschlernen und Gate-Twirling.	32
`max_layers_to_learn`	int	Die maximale Anzahl eindeutiger Schichten, die erlernt werden sollen.	4
`mitigate_readout_error`	bool	Ein boolesches Flag, das angibt, ob Auslesefehlerminderung durchgeführt werden soll.	True
`num_readout_calibration_shots`	int	Die Anzahl der Shots für die Auslesefehlerminderung.	10000
`default_precision`	float	Die Standardpräzision für PUBs, für die keine Präzision angegeben ist.	0.02
`seed`	int oder `None`	Setzt den Seed des Zufallszahlengenerators für Reproduzierbarkeit. Bei `None` wird kein Seed gesetzt.	None

Ausgaben

Ein Qiskit PrimitiveResults-Objekt, das das TEM-geminderte Ergebnis enthält. Das Ergebnis für jeden PUB wird als PubResult mit den folgenden Feldern zurückgegeben:

Name	Typ	Beschreibung
data	DataBin	Ein Qiskit DataBin, das die TEM-geminderte Observable und ihren Standardfehler enthält. Das DataBin hat folgende Felder: `evs`: Der TEM-geminderte Observablenwert. `stds`: Der Standardfehler der TEM-geminderten Observablen.
metadata	dict	Ein Dictionary mit zusätzlichen Ergebnissen. Das Dictionary enthält folgende Schlüssel: `"evs_non_mitigated"`: Der Observablenwert ohne Fehlerminderung. `"stds_non_mitigated"`: Der Standardfehler des Ergebnisses ohne Fehlerminderung. `"evs_mitigated_no_readout_mitigation"`: Der Observablenwert mit Fehlerminderung, aber ohne Auslesefehlerminderung. `"stds_mitigated_no_readout_mitigation"`: Der Standardfehler des Ergebnisses mit Fehlerminderung, aber ohne Auslesefehlerminderung. `"evs_non_mitigated_with_readout_mitigation"`: Der Observablenwert ohne Fehlerminderung, aber mit Auslesefehlerminderung. `"stds_non_mitigated_with_readout_mitigation"`: Der Standardfehler des Ergebnisses ohne Fehlerminderung, aber mit Auslesefehlerminderung.

Fehlermeldungen abrufen

Wenn der Status deines Workloads ERROR ist, verwende job.result(), um die Fehlermeldung wie folgt abzurufen:

print(job.result())

PrimitiveResult([PubResult(data=DataBin(evs=np.ndarray(<shape=(1,), dtype=float64>), stds=np.ndarray(<shape=(1,), dtype=float64>)), metadata={'evs_non_mitigated': array([-0.06314623]), 'stds_non_mitigated': array([0.05917147]), 'evs_mitigated_no_readout_mitigation': array([-0.06411205]), 'stds_mitigated_no_readout_mitigation': array([0.05992467]), 'evs_non_mitigated_with_readout_mitigation': array([-0.07028881]), 'stds_non_mitigated_with_readout_mitigation': array([0.06353934])})], metadata={'resource_usage': {'RUNNING: OPTIMIZING_FOR_HARDWARE': {'CPU_TIME': 0.915754}, 'RUNNING: WAITING_FOR_QPU': {'CPU_TIME': 18.804865}, 'RUNNING: POST_PROCESSING': {'CPU_TIME': 10.433445}, 'RUNNING: EXECUTING_QPU': {'QPU_TIME': 159.0}}})

Support erhalten

Wende dich an qiskit_ibm@algorithmiq.fi

Füge bitte folgende Informationen bei:

Qiskit Function Job-ID (qiskit-ibm-catalog), job.job_id
Eine ausführliche Beschreibung des Problems
Alle relevanten Fehlermeldungen oder -codes
Schritte zur Reproduktion des Problems

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