IBM hat eine neue Erweiterung des Qiskit-Ökosystems namens Qiskit Paulice veröffentlicht, um die Zuverlässigkeit von Quantenschaltkreisen zu verbessern, indem Fehler während der Ausführung des Schaltkreises erkannt und Ergebnisse herausgefiltert werden, die wahrscheinlich von ihnen betroffen sind. Das Tool basiert auf Quantenprüfungen, die als „raumzeitliche Pauli-Prüfungen“ (spacetime Pauli checks) bezeichnet werden. Sie werden direkt in den Schaltkreis eingefügt und verursachen nur einen begrenzten zusätzlichen Hardware- und Ausführungsaufwand.
Die Erweiterung ist Teil der Bemühungen, Methoden zum Umgang mit Fehlern in heutigen Quantencomputern weiterzuentwickeln, während fehlertolerantes Quantencomputing weiterhin komplexe Hardware und eine große Anzahl von Qubits erfordert. IBM zufolge werden die derzeit entwickelten Fehlerbehandlungstechniken dabei helfen, groß angelegte und fehlertolerante Quantencomputer zu erreichen, bei denen Fehler während der Berechnung korrigiert werden. Dieses Ziel soll bis 2029 erreicht werden.
Wie funktioniert Paulice?
Methoden zum Umgang mit Quantenfehlern werden üblicherweise in drei Gruppen eingeteilt: Fehlerunterdrückung, Fehlerabschwächung und Fehlerkorrektur. Die Fehlererkennung ist keine eigenständige Kategorie, sondern ein grundlegender Bestandteil der Fehlerkorrektur und einiger Verfahren zur Fehlerabschwächung, da sie prüft, ob eine bestimmte Ausführung des Schaltkreises von einem Fehler betroffen war.
Bei herkömmlichen Verfahren werden Daten-Qubits für die Berechnung verwendet, zusammen mit Hilfs-Qubits, sogenannten Ancilla-Qubits, die die anderen Qubits überwachen und Hinweise auf Fehler erfassen. Das Einfügen dieser Qubits und der zugehörigen Operationen kann jedoch die Schaltkreistiefe so stark erhöhen, dass die zusätzlichen Operationen mehr Fehler verursachen, als sie erkennen. Paulice wurde entwickelt, um dieses Dilemma zu lösen, indem ausgewählte Prüfungen in den Schaltkreis selbst eingefügt werden.
Jede Pauli-Prüfung beschreibt eine Einschränkung, die während der Ausführung des Schaltkreises bestehen bleiben sollte. Wenn ein Fehler diese Einschränkung verletzt, zeigt sich dies in einem Mess-„Syndrom“, einer Bitfolge, die die Erkennung des Fehlers anzeigt. Besteht das Syndrom aus Nullen, wurde kein Fehler erkannt; jeder Wert 1 weist dagegen gemäß der verwendeten Prüfung auf einen Fehler hin.
Raumzeitbewusste Prüfungen
Raumzeitliche Prüfungen unterscheiden sich von herkömmlichen Prüfungen dadurch, dass sie die Einschränkungen nicht nur über die Qubits im Hardwarebereich festlegen, sondern sie auch an bestimmten Zeitpunkten innerhalb der Ausführung des Schaltkreises platzieren. Dadurch können Fehler über ausgedehnte Bereiche der Berechnung hinweg überwacht werden, während ein Teil des Aufwands vermieden wird, der mit der Messung von Operatoren hohen Gewichts verbunden ist, die insbesondere auf Geräten mit begrenzter Qubit-Konnektivität die Schaltkreistiefe erhöhen kann.
Nicht alle Prüfungen sind gleichermaßen nützlich, da jede Prüfung Operationen hinzufügt, die zusätzliche Störungen verursachen können. Daher verwendet das Paket qiskit-paulice ein Rauschmodell und die Konnektivitätsbeschränkungen des Geräts, um gültige, gewichtsschwache und bei der Fehlererkennung effektive Prüfungen auszuwählen. IBM zufolge trägt dieser automatisierte Prozess dazu bei, die Erkennungsfähigkeit zu erhöhen und zugleich den Qubit-Aufwand sowie die Schaltkreistiefe zu begrenzen.
Was ermöglicht der praktische Einsatz?
Nach der Ausführung des Schaltkreises können die Syndrominformationen auf unterschiedliche Weise genutzt werden. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, Ausführungen ohne erkannte Fehler beizubehalten und Ausführungen mit Fehlerhinweisen zu verwerfen. Dadurch wird Paulice zu einer Form der nachträglich selektierten Fehlerkorrektur (postselected error correction). Die Syndrominformationen können außerdem mit anderen Verfahren zur Fehlerabschwächung oder Fehlerkorrektur kombiniert werden.
Das Tool unterstützt insbesondere Clifford-Schaltkreise und von diesem Typ dominierte Schaltkreise, etwa Schaltkreise, die auf Hadamard-, Phase- und CNOT-Gattern basieren. Diese Schaltkreise zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Verhalten mathematisch gut verstanden ist und effizient auf klassischen Computern simuliert werden kann, wodurch sie sich für die Entwicklung und Erprobung von Verfahren zum Umgang mit Fehlern eignen.
Die Erweiterung enthält einen Lernpfad zum Aufbau eines Clifford-Schaltkreises mit 12 Qubits und vier Schichten aus Verschränkungsgattern. Anschließend werden die Daten- und Hilfs-Qubits entsprechend der Gerätekonnektivität festgelegt und ein Rauschmodell auf Grundlage von Plattformdaten erstellt. Im in dem Beitrag enthaltenen Beispiel fügte das Tool dem Schaltkreis sieben Prüfungen hinzu. Das anschließende Tutorial erklärt die Ausführung des geprüften Schaltkreises, die Stichprobenerhebung, die Prüfung der Syndrome, die Auswahl fehlerfreier Stichproben sowie den Vergleich der Ergebnisgenauigkeit vor und nach der Fehlererkennung.
Verfügbarkeit und künftige Entwicklung
Die Dokumentation und Tutorials zu Qiskit Paulice sowie ein GitHub-Repository zum Herunterladen der Open-Source-Erweiterung sind verfügbar. IBM zufolge plant das Team, Unterstützung für Nicht-Clifford-Systeme, die Analyse von Rauschkanälen nach der nachträglichen Selektion sowie einen verbesserten Umgang mit Leerlaufrauschen bei der Auswahl der Prüfungen hinzuzufügen. Der Beitrag verweist außerdem auf die Verwendung von Konzepten raumzeitlicher Prüfungen in einem Experiment von IBM und der University of Chicago, das mit der Stichprobenerhebung aus groß angelegten Zufallsgraphenzuständen verbunden ist.