Surveillance, calibrations et benchmarking

La calibration d'un ordinateur quantique nécessite l'optimisation d'une multitude de paramètres définissant les signaux électriques qui actionnent les portes quantiques et les opérations de lecture. Avant qu'un ordinateur quantique ne soit mis en service, son processus de calibration initial implique d'affiner minutieusement chaque paramètre pour atteindre les meilleures performances possibles, en se basant sur des benchmarks pertinents pour les charges de travail attendues. Une fois qu'un ordinateur quantique est mis en service, l'objectif principal est de maintenir des performances constantes tout au long de la durée de vie de l'appareil. Les valeurs optimales de nombreux paramètres calibrés restent stables indéfiniment, mais certaines varient au fil du temps en raison de facteurs tels que les changements dans l'environnement des systèmes à deux niveaux (TLS) sur la puce du processeur quantique, les modifications des conditions ambiantes (par exemple, la température) dans le centre de données, ou l'instabilité des systèmes de contrôle.

Pour garantir des performances constantes, les ordinateurs quantiques d'IBM® sont fréquemment surveillés pour suivre les paramètres susceptibles de dériver au fil du temps, exécuter des calibrations si nécessaire et effectuer des benchmarkings quotidiens. Cette page détaille trois processus — surveillance, calibration et benchmarking — qui fonctionnent ensemble pour garantir que la flotte d'ordinateurs quantiques IBM reste aussi stable, prévisible et disponible que possible pour les utilisateurs.

Surveillance

Surveillance des paramètres

De brèves tâches de surveillance des paramètres sont exécutées environ une fois par heure, automatiquement intercalées entre les tâches des utilisateurs, en utilisant la pile logicielle complète de Qiskit Runtime. Les résultats de ces tâches sont analysés pour vérifier si des paramètres ont commencé à s'écarter des plages acceptables, dans l'idéal en détectant les problèmes avant qu'ils ne deviennent suffisamment significatifs pour affecter les performances de manière perceptible.

Parmi les paramètres surveillés, on trouve notamment :

• Les angles de lecture, amplitudes et seuil discriminateur, garantissant une discrimination d'état précise, une faible fuite et un fonctionnement stable. Cela inclut les paramètres opérationnels de nos amplificateurs à limite quantique.
• Les opérations de portes à un et deux qubits, confirmant qu'elles se comportent comme prévu pour maintenir des angles de rotation corrects et minimiser les erreurs de phase et d'amplitude.
• Les signatures d'activité TLS.

Si les résultats de ces tâches de surveillance indiquent des écarts modestes par rapport aux performances attendues, des tâches de calibration appropriées sont lancées. Si une activité TLS sévère est détectée, la stratégie de calibration pour les portes associées aux qubits affectés pourrait être automatiquement modifiée (et pourrait inclure une pause des calibrations) jusqu'à ce que cette activité TLS revienne à des niveaux acceptables.

Surveillance globale

En plus des tâches de surveillance des paramètres individuels, des tâches surveillent les performances de l'ordinateur quantique de manière plus globale, comme des tests qui examinent la fidélité des états de Bell générés, ainsi que des tests de portes fractionnaires et de circuits dynamiques sur les ordinateurs quantiques qui prennent en charge ces fonctionnalités. L'objectif de ces tests, qui s'exécutent également via la pile complète de Qiskit Runtime intercalés avec les tâches des utilisateurs, est de valider efficacement le comportement global du matériel et du logiciel. Si ces tests détectent une baisse significative des performances, l'ordinateur quantique mettra automatiquement en pause la file d'attente de tâches jusqu'à ce que le problème soit résolu, garantissant que les tâches des utilisateurs ne s'exécuteront pas tant que l'appareil ne fonctionne pas comme prévu.

Calibration

Les calibrations sont déclenchées chaque fois que les tâches de surveillance indiquent que des paramètres tels que les amplitudes ou les angles d'impulsion ont dévié de leurs valeurs idéales. Elles s'exécutent tout au long de la journée entre les tâches des utilisateurs, et il n'y a donc pas de période fixe à laquelle les calibrations commencent et se terminent. Elles ne s'exécutent que sur les qubits/portes pour lesquels la surveillance des paramètres a identifié des problèmes spécifiques, ainsi que sur tous les qubits requis pour s'exécuter en même temps selon des règles de groupement spécifiques. Sur les QPU Heron, le temps total consacré aux calibrations est généralement inférieur à deux heures par jour.

Opérations à un seul qubit

Ces calibrations garantissent une implémentation précise des portes à un qubit : sx, x, rx (fractionnaire). Nous ajustons :

• Les fréquences des qubits
• Les amplitudes et phases des impulsions

Ces calibrations sont regroupées sur les qubits affectés et exécutées simultanément si approprié, avec des stratégies de groupement adaptées à chaque type de calibration.

Opérations à deux qubits

• Les amplitudes et phases des portes CZ et RZZ (pour les processeurs Heron et Nighthawk)
• Les amplitudes et phases des portes ECR (pour les processeurs Eagle)

Ces calibrations sont exécutées par lots de qubits non voisins les plus proches pour minimiser la diaphonie.

Lecture

• Les angles d'impulsion de lecture
• Les paramètres de discrimination des mesures

Ces calibrations sont exécutées simultanément sur les qubits qui nécessitent une calibration.

Comment les calibrations sont planifiées

• Une tâche de calibration ne peut pas s'exécuter simultanément pendant qu'une tâche ou une session est en cours.
• Par conséquent, pendant de longues sessions, l'ordinateur quantique peut présenter une stabilité effective réduite en raison de recalibrages retardés ou peu fréquents.
• Deux tâches soumises en même temps peuvent s'exécuter sous différents ensembles de calibration, selon le moment.

Benchmarking

Le benchmarking quotidien offre une vue complète des performances de l'ordinateur quantique et génère les métriques envoyées aux utilisateurs via Qiskit. Il aide les utilisateurs à choisir des qubits, à optimiser les compilations et à mieux anticiper les performances attendues des circuits. Tu peux consulter les chiffres rapportés soit par programmation, soit sur la page Ressources de calcul (clique sur n'importe quel QPU pour ouvrir sa fiche d'information détaillée). Trouve plus de détails sur chaque métrique dans la documentation.

Dérive de l'appareil

L'impact de la dérive de l'appareil (performances matérielles qui se dégradent au fil du temps) dépend de nombreux facteurs, tels que la date de la dernière calibration, l'expérience spécifique réalisée, les activités TLS, etc. Si une charge de travail particulière est très sensible aux valeurs d'erreur des paramètres de l'appareil, tu peux effectuer un benchmarking des paramètres de l'appareil en temps réel en suivant ce tutoriel dans IBM Quantum Learning.

Performances à un seul qubit

• Benchmarking aléatoire (RB) en groupes par lots
• Temps de cohérence pour $T_1$ et $T_2$
• Métriques de fidélité de mesure

Performances à deux qubits

• EPG des portes fractionnaires CZ et RZZ (Heron), ECR (Eagle) tel que mesuré par RB sur ces portes

Métriques au niveau du système

• Fidélité de couche (EPLG), pour la meilleure chaîne de 100 qubits