Monitoring, Kalibrierungen und Benchmarking

Die Kalibrierung eines Quantencomputers erfordert die Optimierung einer Vielzahl von Parametern, die die elektrischen Signale definieren, welche die Quanten-Gates und Ausleseoperationen ansteuern. Bevor ein Quantencomputer freigegeben wird, umfasst sein erster Kalibrierungsprozess die gründliche Abstimmung jedes Parameters, um bestmögliche Leistung basierend auf Benchmarks zu erzielen, die für die erwarteten Arbeitslasten des Quantencomputers relevant sind. Sobald ein Quantencomputer freigegeben wurde, besteht das primäre Ziel darin, eine konsistente Leistung über die gesamte Lebensdauer des Geräts aufrechtzuerhalten. Die optimalen Werte vieler kalibrierter Parameter bleiben unbegrenzt stabil, aber einige variieren im Laufe der Zeit aufgrund von Faktoren wie Veränderungen in der Umgebung von Zwei-Niveau-Systemen (TLS) auf dem Quantenprozessor-Chip, Veränderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur) im Rechenzentrum oder Instabilität in den Kontrollsystemen.

Um eine konsistente Leistung zu gewährleisten, werden IBM®-Quantencomputer häufig überwacht, um Parameter zu verfolgen, die im Laufe der Zeit driften können, bei Bedarf Kalibrierungen durchzuführen und täglich Benchmarking zu betreiben. Diese Seite beschreibt drei Prozesse — Monitoring, Kalibrierung und Benchmarking —, die zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die IBM-Flotte von Quantencomputern so stabil, vorhersehbar und für Nutzer verfügbar wie möglich bleibt.

Monitoring

Parameter-Monitoring

Kurze Parameter-Monitoring-Jobs werden ungefähr einmal pro Stunde ausgeführt, automatisch zwischen Benutzer-Jobs verschachtelt, unter Verwendung des vollständigen Qiskit Runtime Software-Stacks. Die Ergebnisse dieser Jobs werden analysiert, um zu prüfen, ob Parameter beginnen, von akzeptablen Bereichen abzuweichen, idealerweise werden Probleme erkannt, bevor sie bedeutsam genug werden, um die Leistung auf merkliche Weise zu beeinträchtigen.

Zu den überwachten Parametern gehören unter anderem:

• Auslesewinkel, Amplituden und Diskriminatorschwellenwert, um genaue Zustandsdiskriminierung, geringen Leckstrom und stabilen Betrieb sicherzustellen. Dies umfasst die Betriebsparameter unserer quantenbegrenzten Verstärker.
• Ein- und Zwei-Qubit-Gate-Operationen, die bestätigen, dass sie sich wie erwartet verhalten, um korrekte Rotationswinkel beizubehalten und Phasen- und Amplitudenfehler zu minimieren.
• Signaturen von TLS-Aktivität.

Wenn die Ergebnisse dieser Monitoring-Jobs auf moderate Abweichungen von ihrer erwarteten Leistung hinweisen, werden entsprechende Kalibrierungs-Jobs gestartet. Wenn schwerwiegende TLS-Aktivität erkannt wird, kann die Kalibrierungsstrategie für Gates, die mit betroffenen Qubits verbunden sind, automatisch angepasst werden (und könnte das Pausieren von Kalibrierungen umfassen), bis die TLS-Aktivität wieder auf akzeptable Werte sinkt.

Ganzheitliches Monitoring

Zusätzlich zu den Jobs, die einzelne Parameter überwachen, gibt es Jobs, die die Leistung des Quantencomputers ganzheitlicher überwachen, wie Tests, die die Fidelity von erzeugten Bell-Zuständen betrachten, sowie Tests von fraktionalen Gates und dynamischen Schaltkreisen auf Quantencomputern, die diese Funktionen unterstützen. Das Ziel dieser Tests, die ebenfalls durch den vollständigen Qiskit Runtime Stack verschachtelt mit Benutzer-Jobs laufen, ist es, das Gesamtverhalten von Hardware und Software effizient zu validieren. Wenn diese Tests einen signifikanten Leistungsabfall erkennen, pausiert der Quantencomputer automatisch die Job-Warteschlange, bis das Problem gelöst ist, um sicherzustellen, dass Benutzer-Jobs erst laufen, wenn das Gerät wieder wie erwartet funktioniert.

Kalibrieren

Kalibrierungen werden ausgelöst, wenn Monitoring-Jobs anzeigen, dass Parameter wie Pulsamplituden oder -winkel von ihren idealen Werten abgewichen sind. Sie laufen den ganzen Tag zwischen Benutzer-Jobs, daher gibt es keinen festgelegten Zeitraum, zu dem Kalibrierungen beginnen und enden. Sie laufen nur auf den Qubits/Gates, für die das Parameter-Monitoring spezifische Probleme identifiziert hat, zusammen mit allen Qubits, die gemäß bestimmter Batching-Regeln gleichzeitig ausgeführt werden müssen. Auf Heron QPUs beträgt die für Kalibrierungen aufgewendete Gesamtzeit in der Regel weniger als zwei Stunden pro Tag.

Ein-Qubit-Operationen

Diese Kalibrierungen gewährleisten die genaue Implementierung der Ein-Qubit-Gates: sx, x, rx (fraktional). Wir passen Folgendes an:

• Qubit-Frequenzen
• Pulsamplituden und -phasen

Diese Kalibrierungen werden über die betroffenen Qubits gebündelt und wo angemessen gleichzeitig ausgeführt, wobei die Batching-Strategien auf jeden Kalibrierungstyp zugeschnitten sind.

Zwei-Qubit-Operationen

• CZ- und RZZ-Gate-Amplituden und -Phasen (für Heron- und Nighthawk-Prozessoren)
• ECR-Gate-Amplituden und -Phasen (für Eagle-Prozessoren)

Diese Kalibrierungen werden in Batches nicht-nächster-Nachbar-Qubits ausgeführt, um Übersprechen zu minimieren.

Auslesen

• Auslesepuls-Winkel
• Messunterscheidungsparameter

Diese Kalibrierungen werden gleichzeitig auf Qubits ausgeführt, die eine Kalibrierung benötigen.

Wie Kalibrierungen geplant werden

• Ein Kalibrierungs-Job kann nicht gleichzeitig laufen, während ein Job oder eine Session läuft.
• Daher kann der Quantencomputer während langer Sessions aufgrund verzögerter oder seltener Rekalibrierung eine reduzierte effektive Stabilität erfahren.
• Zwei gleichzeitig eingereichte Jobs könnten unter unterschiedlichen Kalibrierungssätzen laufen, je nach Timing.

Benchmarking

Tägliches Benchmarking gibt einen umfassenden Überblick über die Leistung des Quantencomputers und erzeugt die Metriken, die Nutzern über Qiskit übermittelt werden. Sie helfen Nutzern, Qubits zu wählen, Kompilierungen zu optimieren und die erwartete Schaltkreisleistung besser einzuschätzen. Du kannst die gemeldeten Zahlen entweder programmatisch oder auf der Seite Rechenressourcen einsehen (klicke auf eine beliebige QPU, um ihre detaillierte Informationskarte zu öffnen). Weitere Details zu jeder Metrik findest du in der Dokumentation.

Device drift

Die Auswirkungen von Device Drift (Hardwareleistung, die sich im Laufe der Zeit verschlechtert) hängen von vielen Faktoren ab, wie z. B. wann zuletzt Kalibrierungen durchgeführt wurden, dem spezifischen Experiment, etwaigen TLS-Aktivitäten und so weiter. Wenn eine bestimmte Arbeitslast sehr empfindlich gegenüber den Fehlerwerten der Geräteparameter ist, kannst du ein Echtzeit-Geräteparameter-Benchmarking durchführen, indem du diesem Tutorial im IBM Quantum Learning folgst.

Ein-Qubit-Leistung

• Randomisiertes Benchmarking (RB) in gebündelten Gruppen
• Kohärenzzeiten für $T_1$ und $T_2$
• Messgenauigkeitsmetriken

Zwei-Qubit-Leistung

• CZ- und RZZ-fraktionale Gate EPG (Heron), ECR (Eagle) gemessen durch RB auf diesen Gates

Systemebenen-Metriken

• Layer Fidelity (EPLG), für den besten 100-Qubit-Längen-String