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Évaluer la fidélité de processus QFT+M avec Orbit, une fonction Qiskit de Quantum Elements

Estimation d'utilisation : 2 minutes sur un processeur Heron r3. (REMARQUE : Ceci n'est qu'une estimation. Ton temps d'exécution peut varier.) Par défaut, ce tutoriel soumet trois tâches de fonction Orbit dans une charge de travail en mode batch du IBM Quantum Compute Service, avec 300 PUB par tâche, pour un total de 900 PUB et 921 600 shots.

Avertissement : Les circuits dynamiques sont actuellement une fonctionnalité expérimentale, et ils sont sujets à des limitations dans Quantum Compute [3] qui pourraient provoquer des échecs de tâches. Par exemple, l'erreur 6073 indique qu'une tâche a dépassé la limite de mémoire du matériel de contrôle classique [4]. Ce notebook réduit ce risque en partitionnant les tailles de circuit sur trois tâches Quantum Compute dans un même lot [5]. Chaque comparaison à taille fixe reste dans une seule tâche, tandis que les grandes et petites tailles sont associées pour équilibrer les charges de travail de contrôle classique des tâches.

Résultats d'apprentissage

  • Préparer les états produits QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle utilisés par l'estimateur de fidélité de processus échantillonné dans la Figure 2a de la Réf. [1].

  • Construire des implémentations unitaire et dynamique équivalentes de la transformée de Fourier quantique suivie d'une mesure (QFT+M).

  • Sélectionner les qubits physiques pour les circuits dynamiques à l'aide des données de calibration et de connectivité actuelles.

  • Comparer les estimations de fidélité de processus unitaire brute, dynamique brute et dynamique QFT+M améliorée par Orbit à mesure que la taille du circuit augmente.

  • Utiliser l'API de transpilation simplifiée d'Orbit avec mode="raw" et transpilation_mode="validate".

  • Soumettre plusieurs charges de travail Orbit via l'API de mode batch tout en gardant chaque comparaison à trois stratégies de taille fixe dans un seul job.

  • Inspecter les métadonnées Orbit pour confirmer si le découplage dynamique (DD) et l'atténuation des erreurs de mesure (MEM) ont été appliqués.

Contexte

La Figure 2a de la Réf. [1] évalue la fidélité de processus du canal QFT+M idéal par rapport aux implémentations unitaire et dynamique bruitées. Pour une étiquette xx échantillonnée en base de calcul, le benchmark prépare QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle, applique l'implémentation QFT+M bruitée, et estime la probabilité pxp_x d'obtenir la sortie idéale correspondante. Ces états de QFT inverse sont séparables et peuvent être préparés efficacement avec des portes Hadamard et des rotations de phase virtuelles.

Pour mm étiquettes échantillonnées indépendamment, le notebook utilise l'estimateur non biaisé dérivé dans la Réf. [1] :

F^proc=mm1(1m=1mpx)21m(m1)=1mpx.\widehat{\mathcal{F}}_{\mathrm{proc}} = \frac{m}{m-1}\left(\frac{1}{m}\sum_{\ell=1}^{m}\sqrt{p_{x_\ell}}\right)^2 - \frac{1}{m(m-1)}\sum_{\ell=1}^{m}p_{x_\ell}.

La construction dynamique remplace les portes de phase contrôlée de la QFT+M unitaire par des mesures en cours de circuit et des rotations de phase conditionnées classiquement [1]. Par report de mesure, les deux circuits ont la même distribution de sortie idéale. La forme dynamique élimine l'exigence de portes à deux qubits tous-à-tous et utilise à la place O(n)O(n) mesures en cours de circuit avec rétroaction, sans contrainte de connectivité. La mesure et la rétroaction laissent également de longues périodes d'inactivité sur les qubits qui n'ont pas encore été mesurés, ce qui rend le DD particulièrement pertinent.

Relation avec la Figure 2a. Ce notebook suit le protocole de fidélité de processus échantillonné de l'article, mais il s'agit d'une adaptation tutorielle centrée sur Orbit plutôt que d'une reproduction. Par exemple, alors que la Figure 2a utilisait ibm_kyiv avec 2000 shots, nous utilisons un appareil moderne ibm_aachen avec un nombre réduit de 1024 shots pour préserver le temps QPU.

Exemples de résultats

Le graphique statique ci-dessous montre les courbes moyennes de fidélité de processus de trois jobs de développement consécutifs exécutés sur ibm_aachen avec le processus décrit ci-dessous. Comme démontré ici, Orbit peut considérablement améliorer la qualité des circuits dynamiques ; la QFT dynamique atteint la qualité des benchmarks publiés et montre une amélioration par rapport à la QFT unitaire standard. Comme nous le verrons, ces résultats proviennent d'un bon choix automatisé de qubits, d'une insertion automatique de découplage dynamique (non optimisée manuellement pour ce problème), et d'une atténuation des erreurs de mesure. Pour le plaisir, assure-toi de comparer ces résultats aux tiens à la fin, surtout si tu choisis un backend différent.

Remarque : Ces résultats sont un instantané illustratif d'une exécution antérieure réussie avec Orbit, et non une garantie de performance. Les résultats ci-dessous devraient être qualitativement similaires, mais les spécificités dépendent de l'appareil choisi et de ses propriétés, en particulier les erreurs de mesure et d'inactivité, au moment de l'exécution. QFT process fidelity on 'ibm_aachen'

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

Prérequis techniques

Installe les versions les plus récentes des paquets suivants avant d'exécuter ce tutoriel :

  • numpy

  • matplotlib

  • qiskit

  • qiskit-ibm-runtime

  • qiskit-ibm-catalog

pip install qiskit qiskit-ibm-runtime qiskit-ibm-catalog numpy matplotlib

Configuration

Authentifie-toi avec IBM Quantum® Platform, charge ibm_aachen, et charge Quantum Elements Orbit depuis le Qiskit Functions Catalog. Le balayage par défaut évalue 15 tailles de circuit, 20 chaînes de bits échantillonnées par taille, et trois stratégies. NUM_BATCH_JOBS=3 répartit les tailles sur trois jobs dans un seul batch. Réduis N_VALUES ou M, ou augmente NUM_BATCH_JOBS, si un job de circuit dynamique individuel atteint toujours la limite de mémoire de contrôle classique du backend. Réduis SHOTS lorsque l'objectif est de réduire l'utilisation d'exécution plutôt que le nombre ou la complexité des circuits.

import warnings
from collections import Counter, defaultdict

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from qiskit import (
ClassicalRegister,
QuantumCircuit,
QuantumRegister,
transpile,
)
from qiskit.circuit import IfElseOp
from qiskit.synthesis.qft import synth_qft_full
from qiskit_ibm_catalog import QiskitFunctionsCatalog
from qiskit_ibm_runtime import Batch, QiskitRuntimeService

IBM_BACKEND_NAME = "ibm_aachen"

N_VALUES = [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40]
M = 20
SHOTS = 1024
RNG_SEED = 12345
OPTIMIZATION_LEVEL = 0
NUM_BATCH_JOBS = 3
STRATEGY_LABELS = ("unitary/raw", "dynamic/raw", "dynamic/orbit")

def balanced_n_groups(
n_values: list[int], num_jobs: int = 3
) -> list[list[int]]:
values = sorted(n_values)
if len(set(values)) != len(values):
raise ValueError("N_VALUES must not contain duplicates")
if not 1 <= num_jobs <= len(values):
raise ValueError("NUM_BATCH_JOBS must be between 1 and len(N_VALUES)")

max_group_size = (len(values) + num_jobs - 1) // num_jobs
groups = [[] for _ in range(num_jobs)]
loads = [0] * num_jobs
pair_counts = [0] * num_jobs
remaining = values.copy()

while len(remaining) >= 2:
candidates = [
i
for i, group in enumerate(groups)
if len(group) + 2 <= max_group_size
]
if not candidates:
break
smallest = remaining.pop(0)
largest = remaining.pop()
job_index = min(
candidates, key=lambda i: (loads[i], len(groups[i]), i)
)
pair = (
[largest, smallest]
if pair_counts[job_index] % 2 == 0
else [smallest, largest]
)
groups[job_index].extend(pair)
loads[job_index] += smallest + largest
pair_counts[job_index] += 1

while remaining:
value = remaining.pop()
candidates = [
i for i, group in enumerate(groups) if len(group) < max_group_size
]
job_index = min(
candidates, key=lambda i: (loads[i], len(groups[i]), i)
)
groups[job_index].append(value)
loads[job_index] += value

return groups

N_GROUPS = balanced_n_groups(N_VALUES, NUM_BATCH_JOBS)

service = QiskitRuntimeService(channel="ibm_quantum_platform")
backend = service.backend(IBM_BACKEND_NAME)
if "if_else" not in backend.target.operation_names:
backend.target.add_instruction(IfElseOp, name="if_else")

catalog = QiskitFunctionsCatalog(channel="ibm_quantum_platform")
quantum_elements_orbit = catalog.load("quantum-elements/orbit")
if quantum_elements_orbit is None:
raise RuntimeError(
"Quantum Elements Orbit is not enabled for this IBM Quantum instance."
)

required_qubits = max(N_VALUES)
if backend.num_qubits < required_qubits:
raise ValueError(
f"Backend {backend.name} has {backend.num_qubits} qubits, "
f"but this benchmark needs at least {required_qubits}."
)

{
"backend": backend.name,
"num_qubits": backend.num_qubits,
"n_values": N_VALUES,
"m": M,
"shots": SHOTS,
"num_function_jobs": NUM_BATCH_JOBS,
"n_groups": N_GROUPS,
"pubs_per_job": [
len(group) * M * len(STRATEGY_LABELS) for group in N_GROUPS
],
"total_pubs": len(N_VALUES) * M * len(STRATEGY_LABELS),
"total_shots": len(N_VALUES) * M * len(STRATEGY_LABELS) * SHOTS,
}
qiskit_runtime_service._discover_account:WARNING:2026-07-21 15:57:39,310: Loading account with the given token. A saved account will not be used.
{'backend': 'ibm_aachen',
'num_qubits': 156,
'n_values': [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40],
'm': 20,
'shots': 1024,
'num_function_jobs': 3,
'n_groups': [[40, 2, 7, 15, 10], [35, 3, 6, 20, 9], [30, 4, 5, 25, 8]],
'pubs_per_job': [300, 300, 300],
'total_pubs': 900,
'total_shots': 921600}

Construire les circuits QFT+M

Pour chaque entier échantillonné xx, bit_inv_qft prépare l'état produit QFTx\mathrm{QFT}^\dagger|x\rangle avec des portes Hadamard suivies de rotations de phase. Le notebook ajoute ensuite soit la QFT unitaire standard, soit son équivalent semi-classique QFT+M dynamique.

Les deux implémentations omettent le réseau d'échange final. L'ordre d'affichage des bits classiques dans Qiskit fait donc que la chaîne mesurée attendue est l'inverse de la représentation binaire complétée par des zéros de xx, qui est encodée par format(x, f"0{n}b")[::-1].

def bit_inv_qft(circuit: QuantumCircuit, x: int, conv: str = "LSB") -> None:
num_qubits = circuit.num_qubits
circuit.h(range(num_qubits))
for j in range(num_qubits):
phase = (
2 * np.pi * x / 2 ** (num_qubits - j)
if conv == "LSB"
else 2 * np.pi * x / 2 ** (j + 1)
)
circuit.p(-phase, j)

def build_unitary_qft_circuit(num_qubits: int, x: int) -> QuantumCircuit:
if not 0 <= x < 2**num_qubits:
raise ValueError(
f"x={x} is outside the {num_qubits}-qubit basis range"
)
qreg = QuantumRegister(num_qubits, "q")
creg = ClassicalRegister(num_qubits, "c")
circuit = QuantumCircuit(qreg, creg, name=f"unitary_qft_{num_qubits}q")
bit_inv_qft(circuit, x)
circuit.append(
synth_qft_full(num_qubits, do_swaps=False), range(num_qubits)
)
circuit.measure(range(num_qubits), range(num_qubits))
return circuit

def _warn_if_precision_loss(max_num_entanglements: int) -> None:
if max_num_entanglements > -np.finfo(float).minexp:
warnings.warn(
"precision loss in QFT."
f" The rotation needed to represent {max_num_entanglements} entanglements"
" is smaller than the smallest normal floating-point number.",
category=RuntimeWarning,
stacklevel=4,
)

def synth_dynamic_qft(
circuit: QuantumCircuit, *, do_swaps: bool = False
) -> QuantumCircuit:
num_qubits = circuit.num_qubits
creg = circuit.cregs[0]
_warn_if_precision_loss(num_qubits - 1)

for j in reversed(range(num_qubits)):
circuit.h(j)
circuit.measure([j], [j])

if j > 0:
with circuit.if_test((creg[j], 1)):
for k in reversed(range(j)):
circuit.p(np.pi * (2.0 ** (k - j)), k)

if do_swaps:
for i in range(num_qubits // 2):
circuit.swap(i, num_qubits - i - 1)
return circuit

def build_dynamic_qft_circuit(num_qubits: int, x: int) -> QuantumCircuit:
if not 0 <= x < 2**num_qubits:
raise ValueError(
f"x={x} is outside the {num_qubits}-qubit basis range"
)
qreg = QuantumRegister(num_qubits, "q")
creg = ClassicalRegister(num_qubits, "c")
circuit = QuantumCircuit(qreg, creg, name=f"dynamic_qft_{num_qubits}q")
bit_inv_qft(circuit, x)
synth_dynamic_qft(circuit, do_swaps=False)
return circuit

def target_output_bitstring(x: int, n_qubits: int) -> str:
return format(int(x), f"0{n_qubits}b")[::-1]

def process_fidelity_from_success_probabilities(
success_probabilities: list[float],
) -> float:
m = len(success_probabilities)
if m <= 1:
raise ValueError(
"m must be larger than 1 for the process-fidelity estimator"
)
succ = np.asarray(success_probabilities, dtype=float)
return float(
(m / (m - 1)) * (np.mean(np.sqrt(succ)) ** 2)
- np.sum(succ) / (m * (m - 1))
)

Sélectionner les qubits physiques du circuit dynamique

L'implémentation dynamique ne nécessite pas de portes à deux qubits, donc ses qubits physiques n'ont pas besoin de former un sous-graphe connecté. Pour chaque taille de circuit, le sélecteur classe les qubits actuels du backend à l'aide d'un score pondéré à 80 % vers une erreur de lecture plus faible et à 10 % chacun vers des T1T_1 et T2T_2 plus élevés. Il choisit d'abord des qubits bien notés sans couplages directs entre eux lorsque c'est possible, ce qui peut réduire l'exposition à la diaphonie entre voisins, puis remplit les positions restantes selon le score.

Les variantes dynamic/raw et dynamic/orbit utilisent exactement la même disposition sélectionnée pour une taille donnée, rendant leur comparaison contrôlée par la disposition. Le circuit unitary/raw est en revanche mappé et routé par le transpileur car il nécessite une connectivité à deux qubits. Cette sélection basée sur la calibration en temps d'exécution est spécifique à ce tutoriel ; ce n'est pas la disposition fixe à 40 qubits ibm_kyiv utilisée pour les expériences de la Figure 2a de l'article.

def value_from_property(raw):
if raw is None:
return None
if isinstance(raw, tuple):
return raw[0]
return getattr(raw, "value", raw)

def qubit_property_value(properties, qubit: int, *names: str) -> float | None:
for name in names:
try:
value = value_from_property(
properties.qubit_property(qubit, name)
)
except Exception:
value = None
if value is not None:
return float(value)
return None

def measurement_error(properties, qubit: int) -> float | None:
readout = qubit_property_value(properties, qubit, "readout_error")
if readout is not None:
return readout
p01 = qubit_property_value(properties, qubit, "prob_meas0_prep1")
p10 = qubit_property_value(properties, qubit, "prob_meas1_prep0")
if p01 is not None and p10 is not None:
return 0.5 * (p01 + p10)
return None

def coupling_edges(backend) -> list[tuple[int, int]]:
coupling_map = getattr(backend, "coupling_map", None)
if coupling_map is not None:
try:
return [(int(a), int(b)) for a, b in coupling_map.get_edges()]
except Exception:
pass
built = backend.target.build_coupling_map()
return [(int(a), int(b)) for a, b in built.get_edges()]

def neighbor_map(backend) -> dict[int, set[int]]:
neighbors = {qubit: set() for qubit in range(backend.num_qubits)}
for a, b in coupling_edges(backend):
neighbors[a].add(b)
neighbors[b].add(a)
return neighbors

def anchored_score(
value: float | None, *, good: float, bad: float, higher_is_better: bool
) -> float:
if value is None:
return 0.0
if higher_is_better:
low, high = sorted((bad, good))
score = (value - low) / (high - low)
else:
low, high = sorted((good, bad))
score = (high - value) / (high - low)
return float(min(1.0, max(0.0, score)))

def qubit_metrics(backend) -> list[dict]:
properties = backend.properties()
rows = []
for qubit in range(backend.num_qubits):
t1 = qubit_property_value(properties, qubit, "T1", "t1")
t2 = qubit_property_value(properties, qubit, "T2", "t2")
meas_error = measurement_error(properties, qubit)
measurement_score = anchored_score(
meas_error, good=0.005, bad=0.05, higher_is_better=False
)
t1_score = anchored_score(
t1, good=0.00025, bad=0.00005, higher_is_better=True
)
t2_score = anchored_score(
t2, good=0.00025, bad=0.00005, higher_is_better=True
)
rows.append(
{
"qubit": qubit,
"t1": t1,
"t2": t2,
"measurement_error": meas_error,
"score": 0.8 * measurement_score
+ 0.1 * t1_score
+ 0.1 * t2_score,
}
)
return sorted(rows, key=lambda row: row["score"], reverse=True)

def select_dynamic_qubits(backend, n_qubits: int) -> list[int]:
ranked = qubit_metrics(backend)
neighbors = neighbor_map(backend)
selected = []
blocked = set()
for row in ranked:
qubit = row["qubit"]
if qubit in blocked:
continue
selected.append(qubit)
blocked.add(qubit)
blocked.update(neighbors.get(qubit, set()))
if len(selected) == n_qubits:
return selected

for row in ranked:
qubit = row["qubit"]
if qubit not in selected:
selected.append(qubit)
if len(selected) == n_qubits:
return selected
raise RuntimeError(f"Could not select {n_qubits} physical qubits")

print("The top 3 qubits (according to our scoring): ")
print(qubit_metrics(backend)[0:3])
print("Worst 3 qubits (according to our scoring): ")
print(qubit_metrics(backend)[-3:])
The top 3 qubits (according to our scoring):
[{'qubit': 0, 't1': 0.0002514242577986401, 't2': 0.00037559012475638467, 'measurement_error': 0.0028076171875, 'score': 1.0}, {'qubit': 20, 't1': 0.0002526252407383437, 't2': 0.00038493543771861573, 'measurement_error': 0.00390625, 'score': 1.0}, {'qubit': 25, 't1': 0.0002712841332005567, 't2': 0.00025793268824583597, 'measurement_error': 0.0040283203125, 'score': 1.0}]
Worst 3 qubits (according to our scoring):
[{'qubit': 146, 't1': 7.619772882181663e-05, 't2': 0.00014166983578724752, 'measurement_error': 0.0802001953125, 'score': 0.05893378230453208}, {'qubit': 51, 't1': 0.00014200221819602618, 't2': 1.930870507157441e-06, 'measurement_error': 0.054443359375, 'score': 0.04600110909801309}, {'qubit': 35, 't1': 7.116087485472031e-05, 't2': 9.463696242928626e-05, 'measurement_error': 0.14501953125, 'score': 0.03289891864200328}]

Préparer les PUB de benchmark

Pour chaque paire (N, x), le notebook transpile d'abord les circuits logiques et crée un PUB Sampler pour chaque stratégie :

  • unitary/raw : QFT+M unitaire sur la disposition sélectionnée par le transpileur, avec routage si nécessaire et sans DD ni MEM Orbit.

  • dynamic/raw : QFT+M dynamique sur les qubits physiques sélectionnés par calibration, sans DD ni MEM Orbit.

  • dynamic/orbit : le même circuit dynamique transpilé sur les mêmes qubits physiques, avec DD et MEM Orbit activés.

Le PUB amélioré par Orbit utilise transpilation_mode="validate" car sa disposition a déjà été choisie. Orbit valide le circuit physique fourni au lieu de le remapper, puis applique son pipeline DD et MEM. Comme seule la courbe dynamique améliorée demande MEM, elle ne doit pas être interprétée comme une comparaison isolée DD contre pas-de-DD.

Les PUB, les options par PUB et les enregistrements de résultats sont stockés par indice de job batch. Pour chaque NN fixe, les PUB unitary/raw, dynamic/raw et dynamic/orbit sont regroupés dans le même job. L'assistant de regroupement associe des tailles de circuit grandes et petites, alterne leur ordre, et équilibre la somme de NN entre les trois jobs comme approximation simple de la charge de travail de contrôle classique.

strategy_options = {
"unitary/raw": {"mode": "raw"},
"dynamic/raw": {"mode": "raw"},
"dynamic/orbit": {"mode": "orbit", "transpilation_mode": "validate"},
}
rng = np.random.default_rng(RNG_SEED)
pubs_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
pub_options_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
pub_records_by_job = [[] for _ in N_GROUPS]
layout_summary = {}

target_decimals_by_n = {
n_qubits: [int(x) for x in rng.integers(0, 2**n_qubits, size=M)]
for n_qubits in N_VALUES
}

for job_index, n_group in enumerate(N_GROUPS):
for n_qubits in n_group:
dynamic_qubits = select_dynamic_qubits(backend, n_qubits)
layout_summary[str(n_qubits)] = {"dynamic_qubits": dynamic_qubits}

for x in target_decimals_by_n[n_qubits]:
target_bitstring = target_output_bitstring(x, n_qubits)
unitary_logical = build_unitary_qft_circuit(n_qubits, x)
dynamic_logical = build_dynamic_qft_circuit(n_qubits, x)

unitary_transpiled = transpile(
unitary_logical,
backend=backend,
optimization_level=OPTIMIZATION_LEVEL,
seed_transpiler=RNG_SEED,
)
dynamic_transpiled = transpile(
dynamic_logical,
backend=backend,
optimization_level=OPTIMIZATION_LEVEL,
seed_transpiler=RNG_SEED,
initial_layout=dynamic_qubits,
)

circuits_by_label = {
"unitary/raw": unitary_transpiled,
"dynamic/raw": dynamic_transpiled,
"dynamic/orbit": dynamic_transpiled,
}
for label in STRATEGY_LABELS:
circuit = circuits_by_label[label]
options = dict(strategy_options[label])
pubs_by_job[job_index].append((circuit, None, SHOTS))
pub_options_by_job[job_index].append(options)
pub_records_by_job[job_index].append(
{
"job_index": job_index,
"n_qubits": n_qubits,
"target_decimal": x,
"target_bitstring": target_bitstring,
"label": label,
"pub_options": options,
"dynamic_qubits": (
dynamic_qubits
if label.startswith("dynamic/")
else None
),
"transpiled_depth": circuit.depth(),
"transpiled_size": circuit.size(),
}
)

{
"num_function_jobs": len(N_GROUPS),
"n_groups": {
job_index: group for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"n_load_per_job": {
job_index: sum(group) for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"pubs_per_job": {
job_index: len(pubs) for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job)
},
"expected_executions_per_job": {
job_index: len(pubs) * SHOTS
for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job)
},
"first_pub_record_by_job": {
job_index: records[0]
for job_index, records in enumerate(pub_records_by_job)
},
"largest_dynamic_qubit_set": layout_summary[str(max(N_VALUES))][
"dynamic_qubits"
],
}
{'num_function_jobs': 3,
'n_groups': {0: [40, 2, 7, 15, 10],
1: [35, 3, 6, 20, 9],
2: [30, 4, 5, 25, 8]},
'n_load_per_job': {0: 74, 1: 73, 2: 72},
'pubs_per_job': {0: 300, 1: 300, 2: 300},
'expected_executions_per_job': {0: 307200, 1: 307200, 2: 307200},
'first_pub_record_by_job': {0: {'job_index': 0,
'n_qubits': 40,
'target_decimal': 853235401719,
'target_bitstring': '1110111111000000110100110001010101100011',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 4778,
'transpiled_size': 28259},
1: {'job_index': 1,
'n_qubits': 35,
'target_decimal': 26888951661,
'target_bitstring': '10110110111010110010110101000010011',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 3614,
'transpiled_size': 21204},
2: {'job_index': 2,
'n_qubits': 30,
'target_decimal': 620442965,
'target_bitstring': '101010101010110011011111001001',
'label': 'unitary/raw',
'pub_options': {'mode': 'raw'},
'dynamic_qubits': None,
'transpiled_depth': 2835,
'transpiled_size': 15078}},
'largest_dynamic_qubit_set': [0,
20,
25,
27,
33,
59,
74,
80,
95,
144,
151,
155,
79,
90,
60,
68,
114,
107,
13,
126,
133,
103,
3,
87,
53,
41,
130,
5,
98,
135,
153,
15,
116,
45,
7,
48,
136,
11,
147,
77]}

Exécuter le benchmark

Créer un batch, puis y soumettre trois jobs de fonction Orbit.

Les jobs sont répartis par groupes de nombre de qubits afin que les trois stratégies pour un NN fixe puissent être comparées. C'est-à-dire que les 60 PUB pour un NN fixe — 20 entrées échantillonnées fois les trois stratégies — s'exécutent donc dans le même job et peuvent ainsi être comparés aussi équitablement que possible (sinon, s'ils étaient exécutés dans des jobs différents, l'appareil pourrait dériver pendant la file d'attente). Les groupes par défaut combinent grands et petits circuits et contiennent 300 PUB chacun, réduisant le risque qu'un job accumule tous les plus grands programmes dynamiques tout en préservant les comparaisons au sein du job.

runtime_batch = Batch(backend=backend)
jobs = []
try:
for job_index, pubs in enumerate(pubs_by_job):
jobs.append(
quantum_elements_orbit.run(
primitive="sampler",
pubs=pubs,
backend_name=backend.name,
options={
"pub_options": pub_options_by_job[job_index],
"save_backend_info": True,
},
)
)
except Exception:
runtime_batch.close()
raise

{
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"jobs": {
job_index: {
"backend": backend.name,
"function_job_id": job.job_id,
"status": job.status(),
"n_values": N_GROUPS[job_index],
"num_pubs": len(pubs_by_job[job_index]),
}
for job_index, job in enumerate(jobs)
},
}
{'runtime_batch_id': '80120e36-436d-46c7-96c9-597ec86060c1',
'jobs': {0: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '2b6b05ac-0136-40f0-94bf-ade5658f5f4f',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [40, 2, 7, 15, 10],
'num_pubs': 300},
1: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '4f046fd4-80e4-460b-87c7-e7252691f764',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [35, 3, 6, 20, 9],
'num_pubs': 300},
2: {'backend': 'ibm_aachen',
'function_job_id': '6d70d64d-fa38-4ca2-9cbd-ffda5d8c99be',
'status': 'QUEUED',
'n_values': [30, 4, 5, 25, 8],
'num_pubs': 300}}}

Récupérer les résultats et calculer la fidélité de processus

Récupérer et valider chaque résultat de groupe de qubits indépendamment, puis fusionner les trois flux de jobs via leurs enregistrements indexés par job. Le batch reste ouvert pendant que tous les résultats de fonction sont demandés et est fermé dans un bloc finally après que chaque job a été tenté. Pour chaque PUB, pxp_x est la probabilité assignée à la chaîne de bits attendue. extract_counts lit les comptages retournés à l'appelant ; pour dynamic/orbit, ce sont les comptages ajustés par MEM lorsque l'atténuation réussit. extract_raw_counts récupère également les comptages non atténués correspondants enregistrés dans les métadonnées Orbit. Le code regroupe les 20 valeurs de pxp_x pour chaque paire (N, label) et applique l'estimateur introduit précédemment.

Le dictionnaire process_fidelity tracé utilise donc des comptages bruts pour unitary/raw et dynamic/raw, mais des comptages ajustés par MEM pour dynamic/orbit. Le dictionnaire parallèle raw_process_fidelity conserve un calcul non atténué pour chaque stratégie et est utile pour séparer l'effet de MEM du reste du pipeline Orbit. MEM corrige l'histogramme de sortie retourné ; il ne peut pas modifier rétroactivement un résultat de mesure en cours de circuit déjà utilisé par une rétroaction en temps réel.

def extract_counts(pub_result) -> dict[str, int]:
data = getattr(pub_result, "data", None)
if data is None:
raise TypeError("pub_result.data is missing")

for name in dir(data):
if name.startswith("_"):
continue
register = getattr(data, name)
get_counts = getattr(register, "get_counts", None)
if callable(get_counts):
counts = get_counts()
if counts:
return counts

raise TypeError(
"No classical register with get_counts() found in pub_result.data"
)

def extract_raw_counts(pub_result) -> dict[str, int]:
orbit_metadata = pub_result.metadata.get("quantum_elements_orbit", {})
mem_report = orbit_metadata.get("measurementErrorMitigation", {})
return mem_report.get("rawCounts") or extract_counts(pub_result)

def probability_for_bitstring(
counts: dict[str, int], bitstring: str, n_qubits: int
) -> float:
total = sum(counts.values())
if total <= 0:
return 0.0
normalized = Counter()
for measured, count in counts.items():
key = measured.replace(" ", "")[-n_qubits:].zfill(n_qubits)
normalized[key] += count
return float(normalized.get(bitstring, 0) / total)

results_by_job = {}
job_failures = []
try:
for job_index, job in enumerate(jobs):
try:
job_result = job.result()
except Exception as exc:
job_logs = getattr(job, "logs", lambda: "")()
if job_logs:
print(f"Logs for job {job_index} ({job.job_id}):\n{job_logs}")
job_failures.append(
f"job {job_index} ({job.job_id}) failed: {type(exc).__name__}: {exc}"
)
continue

expected_results = len(pub_records_by_job[job_index])
if len(job_result) != expected_results:
job_failures.append(
f"job {job_index} ({job.job_id}) returned {len(job_result)} PUB results; "
f"expected {expected_results}"
)
continue
results_by_job[job_index] = job_result
finally:
runtime_batch.close()

if job_failures:
raise RuntimeError(
"One or more batched Orbit jobs failed:\n" + "\n".join(job_failures)
)

grouped_success = defaultdict(list)
grouped_raw_success = defaultdict(list)
pub_summaries = []

for job_index, job_result in sorted(results_by_job.items()):
records = pub_records_by_job[job_index]
for record, pub_result in zip(records, job_result, strict=True):
label = record["label"]
n_qubits = record["n_qubits"]
counts = extract_counts(pub_result)
raw_counts = extract_raw_counts(pub_result)
success = probability_for_bitstring(
counts, record["target_bitstring"], n_qubits
)
raw_success = probability_for_bitstring(
raw_counts, record["target_bitstring"], n_qubits
)
key = (n_qubits, label)
grouped_success[key].append(success)
grouped_raw_success[key].append(raw_success)

orbit_report = pub_result.metadata.get("quantum_elements_orbit", {})
mem_report = orbit_report.get("measurementErrorMitigation", {})
pub_summaries.append(
{
**record,
"function_job_id": jobs[job_index].job_id,
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"success_probability": success,
"raw_success_probability": raw_success,
"orbit_mode": orbit_report.get("mode"),
"transpilation_mode": orbit_report.get("transpilationMode"),
"physical_layout": orbit_report.get("physicalLayout"),
"dd_status": orbit_report.get("status", "not_applied"),
"num_sequences_added": orbit_report.get(
"numSequencesAdded", 0
),
"num_gaps_filled": orbit_report.get("numGapsFilled", 0),
"dynamic_dd_seq": orbit_report.get("dynamicDdSeq"),
"mem_status": mem_report.get("status", "not_requested"),
"warnings": orbit_report.get("warnings", [])
+ mem_report.get("warnings", []),
}
)

process_fidelity = defaultdict(dict)
raw_process_fidelity = defaultdict(dict)
mean_success_probability = defaultdict(dict)
raw_mean_success_probability = defaultdict(dict)

for (n_qubits, label), probabilities in sorted(grouped_success.items()):
n_key = str(n_qubits)
process_fidelity[n_key][label] = (
process_fidelity_from_success_probabilities(probabilities)
)
mean_success_probability[n_key][label] = float(np.mean(probabilities))

for (n_qubits, label), probabilities in sorted(grouped_raw_success.items()):
n_key = str(n_qubits)
raw_process_fidelity[n_key][label] = (
process_fidelity_from_success_probabilities(probabilities)
)
raw_mean_success_probability[n_key][label] = float(np.mean(probabilities))

process_fidelity = dict(process_fidelity)
raw_process_fidelity = dict(raw_process_fidelity)
mean_success_probability = dict(mean_success_probability)
raw_mean_success_probability = dict(raw_mean_success_probability)

{
"runtime_batch_id": runtime_batch.session_id,
"function_job_ids": {
job_index: job.job_id for job_index, job in enumerate(jobs)
},
"n_groups": {
job_index: group for job_index, group in enumerate(N_GROUPS)
},
"process_fidelity": process_fidelity,
"mean_success_probability": mean_success_probability,
}
{'runtime_batch_id': '80120e36-436d-46c7-96c9-597ec86060c1',
'function_job_ids': {0: '2b6b05ac-0136-40f0-94bf-ade5658f5f4f',
1: '4f046fd4-80e4-460b-87c7-e7252691f764',
2: '6d70d64d-fa38-4ca2-9cbd-ffda5d8c99be'},
'n_groups': {0: [40, 2, 7, 15, 10],
1: [35, 3, 6, 20, 9],
2: [30, 4, 5, 25, 8]},
'process_fidelity': {'2': {'dynamic/orbit': 0.9870551835473073,
'dynamic/raw': 0.9912537998030566,
'unitary/raw': 0.9884650767434809},
'3': {'dynamic/orbit': 0.9662998634131841,
'dynamic/raw': 0.9699631603283018,
'unitary/raw': 0.9388637172865901},
'4': {'dynamic/orbit': 0.9271266520750502,
'dynamic/raw': 0.7334377020091254,
'unitary/raw': 0.9010122207121433},
'5': {'dynamic/orbit': 0.8883501513887149,
'dynamic/raw': 0.6577660260669806,
'unitary/raw': 0.7806443417987445},
'6': {'dynamic/orbit': 0.8524225652033044,
'dynamic/raw': 0.4444025126308521,
'unitary/raw': 0.7167426842521228},
'7': {'dynamic/orbit': 0.832962085697061,
'dynamic/raw': 0.2253787798698553,
'unitary/raw': 0.5746335601063436},
'8': {'dynamic/orbit': 0.7881895956180588,
'dynamic/raw': 0.16909516699831612,
'unitary/raw': 0.5408263851227074},
'9': {'dynamic/orbit': 0.7422635627368794,
'dynamic/raw': 0.0242474245097341,
'unitary/raw': 0.4855953298367578},
'10': {'dynamic/orbit': 0.7002274273149545,
'dynamic/raw': 0.033718865729016285,
'unitary/raw': 0.3607634828181049},
'15': {'dynamic/orbit': 0.4694995355699914,
'dynamic/raw': 7.70970394736842e-05,
'unitary/raw': 0.054582117352985286},
'20': {'dynamic/orbit': 0.24118032284867608,
'dynamic/raw': 4.235164736271502e-22,
'unitary/raw': 0.0},
'25': {'dynamic/orbit': 0.027122712989729438,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'30': {'dynamic/orbit': 0.0003581886014704875,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'35': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'40': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0}},
'mean_success_probability': {'2': {'dynamic/orbit': 0.987060546875,
'dynamic/raw': 0.991259765625,
'unitary/raw': 0.9884765625},
'3': {'dynamic/orbit': 0.96630859375,
'dynamic/raw': 0.969970703125,
'unitary/raw': 0.939013671875},
'4': {'dynamic/orbit': 0.9271484375,
'dynamic/raw': 0.7337890625,
'unitary/raw': 0.901318359375},
'5': {'dynamic/orbit': 0.88837890625,
'dynamic/raw': 0.657861328125,
'unitary/raw': 0.78115234375},
'6': {'dynamic/orbit': 0.85244140625,
'dynamic/raw': 0.44453125,
'unitary/raw': 0.71728515625},
'7': {'dynamic/orbit': 0.8330078125,
'dynamic/raw': 0.22568359375,
'unitary/raw': 0.575390625},
'8': {'dynamic/orbit': 0.788232421875,
'dynamic/raw': 0.169189453125,
'unitary/raw': 0.541796875},
'9': {'dynamic/orbit': 0.742333984375,
'dynamic/raw': 0.0244140625,
'unitary/raw': 0.487353515625},
'10': {'dynamic/orbit': 0.70029296875,
'dynamic/raw': 0.033935546875,
'unitary/raw': 0.363037109375},
'15': {'dynamic/orbit': 0.4697265625,
'dynamic/raw': 0.00029296875,
'unitary/raw': 0.055615234375},
'20': {'dynamic/orbit': 0.241357421875,
'dynamic/raw': 4.8828125e-05,
'unitary/raw': 0.0},
'25': {'dynamic/orbit': 0.041015625, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'30': {'dynamic/orbit': 0.0013671875,
'dynamic/raw': 0.0,
'unitary/raw': 0.0},
'35': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0},
'40': {'dynamic/orbit': 0.0, 'dynamic/raw': 0.0, 'unitary/raw': 0.0}}}

Inspecter les métadonnées DD d'Orbit

Le résumé ci-dessous vérifie les métadonnées du PUB dynamic/orbit plutôt que de supposer que le DD demandé a été inséré. Inspecte le statut, la séquence de DD dynamique rapportée, les avertissements, et le nombre d'écarts comblés et de séquences ajoutées. Une insertion réussie devrait produire des comptages non nuls pour au moins certains PUB, mais les valeurs exactes dépendent du circuit planifié, des contraintes de synchronisation du backend, et de la taille du circuit. Ces métadonnées décrivent la séquence appliquée par Orbit ; elles ne doivent pas être qualifiées de protocole FC-DD de l'article à moins que le rapport n'établisse explicitement cette équivalence.

dd_summary = defaultdict(lambda: Counter())
sequence_totals = defaultdict(int)
warning_examples = []

for summary in pub_summaries:
if summary["label"] != "dynamic/orbit":
continue
n_key = str(summary["n_qubits"])
dd_summary[n_key][summary["dd_status"]] += 1
sequence_totals[n_key] += int(summary.get("num_sequences_added") or 0)
if summary.get("warnings") and len(warning_examples) < 5:
warning_examples.append(
{
"n_qubits": summary["n_qubits"],
"target_decimal": summary["target_decimal"],
"warnings": summary["warnings"],
}
)

{
"dynamic_orbit_dd_status_counts": {
key: dict(value) for key, value in dd_summary.items()
},
"dynamic_orbit_sequences_added": dict(sequence_totals),
"warning_examples": warning_examples,
}
{'dynamic_orbit_dd_status_counts': {'40': {'dd_inserted': 20},
'2': {'dd_inserted': 20},
'7': {'dd_inserted': 20},
'15': {'dd_inserted': 20},
'10': {'dd_inserted': 20},
'35': {'dd_inserted': 20},
'3': {'dd_inserted': 20},
'6': {'dd_inserted': 20},
'20': {'dd_inserted': 20},
'9': {'dd_inserted': 20},
'30': {'dd_inserted': 20},
'4': {'dd_inserted': 20},
'5': {'dd_inserted': 20},
'25': {'dd_inserted': 20},
'8': {'dd_inserted': 20}},
'dynamic_orbit_sequences_added': {'40': 31200,
'2': 40,
'7': 840,
'15': 4200,
'10': 1800,
'35': 23800,
'3': 120,
'6': 600,
'20': 7600,
'9': 1440,
'30': 17400,
'4': 240,
'5': 400,
'25': 12000,
'8': 1120},
'warning_examples': [{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 853235401719,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 954673909846,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 524641045908,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 185651043478,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']},
{'n_qubits': 40,
'target_decimal': 587114273567,
'warnings': ['Post-DD x/y pulses are rewritten into the target basis (e.g. sx) for ISA compliance; this shifts exact pulse timing within each gap, so DD spacing is approximate. A future release will emit native pulses directly.',
'MEM was applied unconditionally to the returned output bitstring without inferring whether each bit came from a terminal measurement or a mid-circuit measurement. This is meaningful for bits intended as circuit outputs, but Orbit does not retroactively or in real time change conditional branches that used unmitigated measurement results.']}]}

Tracer les courbes de fidélité de processus

Le graphique montre l'estimation ponctuelle de la fidélité de processus QFT+M échantillonnée en fonction du nombre de qubits pour les trois stratégies. dynamic/raw et dynamic/orbit partagent une disposition physique à chaque taille ; unitary/raw utilise la disposition et le routage du transpileur.

Contrairement à la Figure 2a, ce graphique ne montre pas de courbe unitaire avec DD ni de bandes d'incertitude, et ses courbes brutes ne sont pas atténuées en lecture. Il est préférable de le lire comme une comparaison d'échelle de style Figure 2a pour ce flux de travail Orbit, et non comme une reproduction directe des courbes publiées.

from datetime import datetime
from zoneinfo import ZoneInfo

closed_at = runtime_batch.details()["closed_at"] # "2026-07-22T00:08:54.89Z"
closed_dt = datetime.fromisoformat(closed_at.replace("Z", "+00:00"))
closed_local = closed_dt.astimezone(ZoneInfo("America/Los_Angeles"))
labels = ["dynamic/orbit", "dynamic/raw", "unitary/raw"]
colors = {
"dynamic/orbit": "#26735b",
"dynamic/raw": "#9b1c31",
"unitary/raw": "#6e6e6e",
}
pretty_labels = {
"dynamic/orbit": "Dynamic QFT+M with Orbit",
"dynamic/raw": "Dynamic QFT+M",
"unitary/raw": "Unitary QFT+M",
}

series = []
for label in labels:
values = [process_fidelity[str(n)][label] for n in N_VALUES]
log_values = [value if value > 0.0 else float("nan") for value in values]
series.append((label, values, log_values))

nonzero_values = [
value
for _, _, log_values in series
for value in log_values
if value > 0.0
]
if not nonzero_values:
raise RuntimeError(
"No nonzero process-fidelity values found for log inset"
)
log_floor = min(nonzero_values) / 2

fig, ax = plt.subplots(figsize=(9.8, 5.6))
for label, values, _ in series:
ax.plot(
N_VALUES,
values,
marker="o",
linewidth=2.0,
markersize=5,
color=colors[label],
label=pretty_labels[label],
)

ax.set_xlabel("N qubits")
ax.set_ylabel("Process fidelity")
finished_time_for_title = globals().get("finished_local", closed_local)
ax.set_title(
f"Dynamic QFT Orbit results on {IBM_BACKEND_NAME}\n"
f"Job finished {finished_time_for_title:%Y-%m-%d %H:%M %Z}"
)
ax.set_xticks(N_VALUES)
ax.set_ylim(bottom=0)
ax.grid(axis="both", alpha=0.25)
ax.legend(loc="upper right")

inset = ax.inset_axes([0.53, 0.31, 0.44, 0.43])
for label, _, log_values in series:
inset.plot(
N_VALUES,
log_values,
marker="o",
linewidth=2.0,
markersize=5,
color=colors[label],
)
inset.set_yscale("log")
inset.set_ylim(bottom=log_floor)
inset.set_xlim(min(N_VALUES), max(N_VALUES))
inset.set_title("Log scale; zeros omitted", fontsize=9)
inset.grid(axis="both", alpha=0.25)
inset.tick_params(axis="both", labelsize=8)
inset.patch.set_alpha(0.96)

fig.tight_layout()
plt.show()

Output of the previous code cell

Références

  1. E. Bäumer et al., "Quantum Fourier Transform Using Dynamic Circuits," arXiv:2403.09514; Physical Review Letters 133, 150602 (2024)

  2. Introduction aux fonctions Qiskit

  3. Limitations de calcul quantique pour les variables d'étirement

  4. Codes d'erreur IBM Quantum : 6073

  5. Exécuter des jobs dans un batch

Prochaines étapes

  • Consulte la documentation du guide Orbit et de la référence API.

  • Essaie un backend différent, une disposition alternative, ou expérimente avec une séquence de découplage dynamique alternative compatible Orbit en modifiant l'option dd_strategy. Garde à l'esprit qu'en raison de la nature expérimentale des circuits dynamiques, tu dois être attentif aux modes d'échec de job possibles (voir [3] et [4]). Si tu rencontres des valeurs d'étirement négatives [3], essaie une séquence de DD plus petite (moins d'impulsions). Si tu rencontres [4], augmente NUM_BATCH_JOBS, réduis M, ou réduis les plus grandes valeurs dans N_VALUES.