IBM hat das Modell Directed Execution für den IBM Quantum Compute Service vorgestellt. Ziel ist es, Forschenden direkte Kontrolle darüber zu geben, wie quantenmechanische Schaltungen vor ihrer Ausführung auf der Hardware transformiert, verrauscht und ausgeführt werden. Anstatt die Logik zur Fehlerlinderung innerhalb der IBM-Server verborgen zu halten, ermöglicht das Modell die Ausführung dieser Logik auf der Kundenseite. Dort kann sie untersucht und angepasst werden, und es können darauf aufbauend benutzerdefinierte Abläufe erstellt werden, ohne auf die Leistung von Systemen mit mehr als 100 Qubits zu verzichten.
Das Modell basiert auf einem neuen Ausführungsprimitiv namens Executor. Dieses behandelt die Schablonenschaltung und ihre Parameter als Operationen auf Tensoren und ermöglicht dadurch die Verwaltung großer Familien von Schaltungsinstanzen, ohne sie manuell zusammenzustellen. Laut IBM kann Executor Arbeitslasten mit 5.000 oder mehr Zufallsoperationen ausführen. Außerdem unterstützt es das Durchsuchen von Rauschpegeln sowie Änderungen von Messregeln und Parametersätzen innerhalb einer einzigen Aufgabe unter Verwendung von Broadcasting-Regeln ähnlich wie bei NumPy.
Von der verborgenen Ausführung zu einem überprüfbaren Plan
Die Primitive Sampler und Estimator erzeugten Schaltungsinstanzen auf dem Server, um die Leistung bei großen Experimenten zu verbessern. Dadurch ähnelte der Ausführungsprozess jedoch stärker einer Blackbox. Directed Execution führt nun einen niedrigschwelligen Einstiegspunkt ein, während Sampler und Estimator weiterhin als übergeordnete Schnittstellen verfügbar bleiben, die auf Executor aufbauen.
Das System verwendet die Möglichkeiten Boxes und Annotations, die in Qiskit SDK 2.0 und 2.1 eingeführt wurden, um bedeutungsvolle Bereiche innerhalb der Schaltung festzulegen und die erforderlichen Transformationen zu beschreiben. Zu den integrierten Annotationen gehören Twirl zum Anwenden einer Pauli- oder Clifford-Verdrehung, InjectNoise zum kontrollierbaren Einbringen von Rauschen und ChangeBasis zur Steuerung der Drehung von Qubits in bestimmte Basiszustände und aus diesen heraus.
Anschließend wandelt die Open-Source-Bibliothek Samplomatic die annotierte Schaltung in zwei Ausgaben um: eine überprüfbare Schablonenschaltung und ein strukturiertes Rezept namens Samplex, das festlegt, wie die Randomisierung und die anschließende klassische Verarbeitung durchgeführt werden. Da diese beiden Ausgaben lokal erzeugt werden, kann die forschende Person die Ausbreitung der Transformationen überprüfen, bevor die Aufgabe an den Quantenprozessor gesendet wird.
Was ändert sich praktisch für Forschende?
Die von Sampler und Estimator ausgeführte Fehlerlinderung ist nun überprüfbar und anpassbar, anstatt ein verborgener Dienst zu sein. Die Bibliothek Qiskit Noise Learning bietet eine lokale Charakterisierung des Rauschens auf Ebene der Schaltungsbereiche und unterstützt die Protokolle Pauli-Lindblad und TREX. Qiskit Mitigation umfasst Implementierungen für Methoden wie die probabilistische Fehlerauslöschung (PEC), die probabilistische Fehlerverstärkung (PEA), TREX und die Extrapolation auf Nullrauschen mithilfe von Gate-Faltung (ZNE).
Auch die lokale Laufzeitumgebung ist für Tests nützlicher geworden. Bei Verwendung des neuen Estimator mit einem lokalen Simulator können dieselben Optionen zur Fehlerlinderung angewendet werden, bevor Zeit auf der Quantenverarbeitungseinheit verbraucht wird. IBM erklärt, dass das Modell FakeKingston ein Gerät mit 156 Qubits simuliert, eine Größe, die für eine lokale Vollzustandssimulation ungeeignet ist. Daher empfiehlt IBM schnelle Näherungsprüfungen mittels Clifford-Simulation.
IBM stellt ein Beispiel vor, das PEC, Shaded Lightcones, TREX und Postselektion in einem einzigen Ablauf kombiniert. Den in dem Artikel genannten Ergebnissen zufolge senkten Shaded Lightcones die Kosten der Probenentnahme bei PEC um etwa das 3,4-Fache, während innerhalb der vollständigen Rauschmodellkonfiguration eine vergleichbare Genauigkeit beibehalten wurde.
Bezug zur quantenmechanischen Fehlerkorrektur
Directed Execution ist nicht auf die Fehlerlinderung beschränkt. IBM zufolge unterstützt dieselbe lokale Kontrolle auch die Forschung zur Fehlerkorrektur, einschließlich quantenmechanischer Fehlerkorrektur durch Postselektion und Experimenten mit Oberflächencodes. IBM erwähnt, dass eine Studie auf IBM Quantum Nighthawk einen Oberflächencode der Distanz 5 anwendete und die logische Fehlerrate pro Runde um bis zu das 2,8-Fache verbesserte, indem mehrere leistungsschwächere Komponenten identifiziert und der Code um sie herum gelenkt wurde.
Die Kontrolle erstreckt sich auch auf die Impulsebene, einschließlich der Gate-Zeitplanung, des schnellen Zurücksetzens von Qubits und des Auslesens weicher Messinformationen vor der Klassifizierung. Diese Möglichkeiten bedeuten jedoch nicht, dass die quantenmechanische Fehlerkorrektur zu einem gelösten Problem geworden ist. Sie stellen vielmehr eine transparentere experimentelle Plattform zur Untersuchung der Methoden bereit, während die genannten Ergebnisse weiterhin an bestimmte Experimente und Werkzeuge gebunden sind.
Verfügbarkeit und Einschränkungen
Die lokalen Primitive Sampler und Estimator wurden in Version 0.50.0 von qiskit-ibm-runtime veröffentlicht. IBM zufolge müssen Nutzende der bestehenden Schnittstellen meist nur die Importanweisungen aktualisieren, während der Codekörper weiterhin funktioniert. Das Unternehmen hat außerdem ein Open-Source-Tool namens migrate-qiskit-ibm-runtime veröffentlicht, das bei der Übertragung von Code aus älteren Versionen hilft, einschließlich V1 und der älteren serverseitigen V2-Primitive.
Der wesentliche Wert liegt hier in der Übertragung von Kontrolle und Transparenz auf die forschende Person, nicht in der Einführung neuer Quantenhardware. Die direkte Verwendung von Executor bleibt für diejenigen geeignet, die benutzerdefinierte Abläufe erstellen oder neue Protokolle testen müssen, während andere Nutzende Sampler und Estimator weiterhin verwenden können. In welchem Maß ein Experiment von der Fehlerlinderung oder -korrektur profitiert, hängt weiterhin vom Rauschmodell, den Kosten der Probenentnahme sowie von der Art der Schaltung und der verwendeten Hardware ab.