Monitoreo, calibraciones y benchmarking

Calibrar un ordenador cuántico requiere optimizar una gran cantidad de parámetros que definen las señales eléctricas que actúan sobre las puertas cuánticas y las operaciones de lectura. Antes de que un ordenador cuántico sea puesto en servicio, su proceso de calibración inicial implica ajustar minuciosamente cada parámetro para lograr el mejor rendimiento posible según los benchmarks relevantes para las cargas de trabajo esperadas. Una vez que el ordenador cuántico ha sido puesto en servicio, el objetivo principal es mantener un rendimiento consistente durante toda la vida útil del dispositivo. Los valores óptimos de muchos de los parámetros calibrados se mantienen estables indefinidamente, pero algunos varían con el tiempo como resultado de factores como cambios en el entorno de los sistemas de dos niveles (TLS) en el chip del procesador cuántico, cambios en las condiciones ambientales (por ejemplo, temperatura) en el centro de datos, o inestabilidad dentro de los sistemas de control.

Para asegurar un rendimiento consistente, los ordenadores cuánticos de IBM® son monitoreados frecuentemente para rastrear los parámetros que pueden variar con el tiempo, ejecutar calibraciones cuando sea necesario y realizar benchmarking diario. Esta página detalla tres procesos — monitoreo, calibración y benchmarking — que trabajan juntos para asegurar que la flota de ordenadores cuánticos de IBM permanezca tan estable, predecible y disponible para los usuarios como sea posible.

Monitoreo

Monitoreo de parámetros

Los trabajos breves de monitoreo de parámetros se ejecutan aproximadamente una vez por hora, intercalados automáticamente entre los trabajos de los usuarios, usando la pila completa de software de Qiskit Runtime. Los resultados de estos trabajos se analizan para comprobar si algún parámetro ha comenzado a desviarse de los rangos aceptables, idealmente detectando problemas antes de que sean lo suficientemente significativos como para afectar el rendimiento de manera notable.

Algunos de los parámetros monitoreados incluyen los siguientes:

• Ángulos de lectura, amplitudes y umbral discriminador, asegurando una discriminación precisa del estado, baja fuga y operación estable. Esto incluye los parámetros operacionales de nuestros amplificadores de límite cuántico.
• Operaciones de puertas de uno y dos qubits, confirmando que se comportan según lo esperado para mantener ángulos de rotación correctos y minimizar errores de fase y amplitud.
• Señales de actividad TLS.

Si los resultados de estos trabajos de monitoreo indican desviaciones moderadas de su rendimiento esperado, se lanzan los trabajos de calibración apropiados. Si se detecta actividad TLS severa, la estrategia de calibración para las puertas asociadas a los qubits afectados podría modificarse automáticamente (y podría incluir la pausa de las calibraciones) hasta que dicha actividad TLS disminuya a niveles aceptables.

Monitoreo holístico

Además de los trabajos que monitorean parámetros individuales, existen trabajos que monitorean el rendimiento del ordenador cuántico de forma más holística, como pruebas que analizan la fidelidad de los estados Bell generados, así como pruebas de puertas fraccionarias y circuitos dinámicos en los ordenadores cuánticos que admiten esas características. El objetivo de estas pruebas, que también se ejecutan a través de la pila completa de Qiskit Runtime intercaladas con los trabajos de los usuarios, es validar eficientemente el comportamiento general del hardware y el software. Si estas pruebas detectan una caída significativa en el rendimiento, el ordenador cuántico pausará automáticamente la cola de trabajos hasta que se resuelva el problema, asegurando que los trabajos de los usuarios no se ejecuten hasta que el dispositivo funcione según lo esperado.

Calibración

Las calibraciones se activan cuando los trabajos de monitoreo indican que parámetros como las amplitudes de los pulsos o los ángulos se han desviado de sus valores ideales. Se ejecutan a lo largo del día entre los trabajos de los usuarios, por lo que no hay un período de tiempo fijo en el que las calibraciones comiencen y terminen. Estas se ejecutan solo en los qubits/puertas para los cuales el monitoreo de parámetros ha identificado problemas específicos, junto con cualquier qubit necesario para ejecutarse al mismo tiempo según reglas de agrupamiento específicas. En las QPU Heron, el tiempo total dedicado a las calibraciones es típicamente inferior a dos horas por día.

Operaciones de un solo qubit

Estas calibraciones aseguran la implementación precisa de las puertas de un solo qubit: sx, x, rx (fraccional). Ajustamos:

• Frecuencias de los qubits
• Amplitudes y fases de los pulsos

Estas calibraciones se agrupan en lotes entre los qubits afectados y se ejecutan de forma concurrente cuando es apropiado, con estrategias de agrupamiento adaptadas a cada tipo de calibración.

Operaciones de dos qubits

• Amplitudes y fases de las puertas CZ y RZZ (para procesadores Heron y Nighthawk)
• Amplitudes y fases de las puertas ECR (para procesadores Eagle)

Estas calibraciones se ejecutan en lotes de qubits no vecinos más cercanos para minimizar la diafonía (crosstalk).

Lectura

• Ángulos de los pulsos de lectura
• Parámetros de discriminación de medición

Estas calibraciones se ejecutan simultáneamente en los qubits que requieren calibración.

Cómo se programan las calibraciones

• Un trabajo de calibración no puede ejecutarse simultáneamente mientras se está ejecutando un trabajo o sesión.
• Por lo tanto, durante sesiones largas, el ordenador cuántico puede experimentar una estabilidad efectiva reducida debido a una recalibración tardía o poco frecuente.
• Dos trabajos enviados al mismo tiempo podrían ejecutarse bajo diferentes conjuntos de calibración, dependiendo del momento.

Benchmarking

El benchmarking diario ofrece una visión integral del rendimiento del ordenador cuántico y genera las métricas que se envían a los usuarios a través de Qiskit. Ayudan a los usuarios a elegir qubits, optimizar compilaciones y anticipar mejor el rendimiento esperado de los circuitos. Puedes ver los números reportados de forma programática o en la página Recursos de cómputo (haz clic en cualquier QPU para abrir su tarjeta de información detallada). Encuentra más detalles sobre cada métrica en la documentación.

Deriva del dispositivo

El impacto de la deriva del dispositivo (rendimiento de hardware que se degrada con el tiempo) depende de muchos factores, como cuándo se ejecutaron las calibraciones por última vez, el experimento específico realizado, cualquier actividad TLS, y otros. Si una carga de trabajo en particular es muy sensible a los valores de error de los parámetros del dispositivo, puedes realizar un benchmarking en tiempo real de los parámetros del dispositivo siguiendo este tutorial en IBM Quantum Learning.

Rendimiento de un solo qubit

• Randomized benchmarking (RB) en grupos agrupados en lotes
• Tiempos de coherencia para $T_1$ y $T_2$
• Métricas de fidelidad de medición

Rendimiento de dos qubits

• EPG de puertas fraccionales CZ y RZZ (Heron), ECR (Eagle) medido por RB en esas puertas

Métricas a nivel de sistema

• Fidelidad de capa (EPLG), para la mejor cadena de 100 qubits de longitud