IBM a présenté le modèle Directed Execution pour le service IBM Quantum Compute Service, afin de donner aux chercheurs un contrôle direct sur la manière dont les circuits quantiques sont transformés, randomisés et exécutés avant leur lancement sur le matériel. Au lieu de conserver la logique d’atténuation des erreurs cachée dans les serveurs d’IBM, le modèle permet d’exécuter cette logique côté client, où elle peut être inspectée, modifiée et servir de base à des chemins personnalisés, sans renoncer aux performances de systèmes dépassant 100 qubits.
Le modèle repose sur une nouvelle primitive d’exécution appelée Executor. Celle-ci traite le circuit modèle et ses paramètres comme des opérations sur des tenseurs, ce qui permet de gérer de grandes familles de copies du circuit sans les assembler manuellement. Selon IBM, Executor peut exécuter des charges comprenant 5 000 opérations aléatoires ou davantage. Il prend également en charge le balayage de niveaux de bruit, les changements de règles de mesure et les ensembles de paramètres au sein d’une seule tâche, grâce à des règles de diffusion similaires à celles de NumPy.
D’une exécution cachée à un plan inspectable
Les primitives Sampler et Estimator créaient les copies des circuits sur le serveur afin d’améliorer les performances lors du traitement de grandes expériences, mais cela rendait le processus d’exécution plus proche d’une boîte noire. Directed Execution introduit de nouveau un point d’entrée de bas niveau, tout en conservant Sampler et Estimator comme interfaces de haut niveau fonctionnant au-dessus d’Executor.
Le système utilise les capacités Boxes et Annotations, apparues dans Qiskit SDK 2.0 et 2.1, pour définir des zones significatives au sein du circuit et décrire les transformations à leur appliquer. Les annotations prêtes à l’emploi comprennent Twirl, pour appliquer une randomisation de Pauli ou de Clifford, InjectNoise, pour introduire le bruit de manière contrôlable, et ChangeBasis, pour contrôler la rotation des qubits vers des états de base déterminés, entre autres.
La bibliothèque open source Samplomatic transforme ensuite le circuit annoté en deux sorties : un circuit modèle inspectable et une recette structurée appelée Samplex, qui définit la manière d’effectuer la randomisation et le post-traitement classique. Comme ces deux sorties sont créées localement, le chercheur peut examiner la propagation des transformations avant d’envoyer le travail au processeur quantique.
Qu’est-ce qui change concrètement pour les chercheurs ?
L’atténuation des erreurs exécutée par Sampler et Estimator devient inspectable et personnalisable au lieu d’être un service caché. La bibliothèque Qiskit Noise Learning fournit une caractérisation locale du bruit au niveau des zones du circuit, avec la prise en charge des protocoles Pauli-Lindblad et TREX. Quant à Qiskit Mitigation, elle comprend des implémentations de méthodes telles que l’annulation probabiliste des erreurs (PEC), l’amplification probabiliste des erreurs (PEA), TREX et l’extrapolation vers un bruit nul au moyen du pliage des portes (ZNE).
L’environnement d’exécution local est également devenu plus utile pour les tests. Lorsqu’on utilise le nouvel Estimator avec un simulateur local, les mêmes options d’atténuation des erreurs peuvent être appliquées avant de consommer du temps sur l’unité de traitement quantique. IBM précise que le modèle FakeKingston simule un appareil de 156 qubits, une taille qui ne convient pas à une simulation locale de l’état complet ; elle recommande donc des vérifications approximatives rapides au moyen d’une simulation de Clifford.
IBM présente un exemple combinant PEC, Shaded Lightcones, TREX et post-sélection dans un seul chemin. Selon les résultats mentionnés dans l’article, Shaded Lightcones a réduit d’environ 3,4 fois le coût de l’échantillonnage dans PEC, tout en conservant une précision comparable dans le cadre du modèle de bruit complet.
Le lien entre le modèle et la correction quantique des erreurs
Directed Execution ne se limite pas à l’atténuation des erreurs. IBM affirme que le même contrôle local soutient les recherches sur la correction des erreurs, notamment la correction quantique des erreurs par post-sélection et les expériences sur les codes de surface. Elle indique qu’une étude menée sur IBM Quantum Nighthawk a appliqué un code de surface de distance 5 et amélioré jusqu’à 2,8 fois le taux d’erreur logique par cycle en identifiant plusieurs composants moins performants et en orientant le code autour d’eux.
Le contrôle s’étend également au niveau des impulsions, notamment au minutage des portes, à la réinitialisation rapide des qubits et à la lecture des informations de mesure souples avant leur classification. Ces capacités ne signifient toutefois pas que la correction quantique est devenue un problème résolu ; elles fournissent une plateforme expérimentale plus transparente pour étudier les méthodes, tandis que les résultats mentionnés restent liés à des expériences et à des outils précis.
Disponibilité et limites
Les primitives locales Sampler et Estimator ont été lancées dans la version 0.50.0 de qiskit-ibm-runtime. IBM affirme que les utilisateurs des interfaces actuelles n’ont généralement besoin que de mettre à jour les instructions d’importation, le corps du code continuant de fonctionner. L’entreprise a également lancé un outil open source appelé migrate-qiskit-ibm-runtime pour aider à migrer les codes depuis les anciennes versions, notamment V1 et les anciennes primitives V2 côté serveur.
La valeur essentielle réside ici dans le transfert du contrôle et de la transparence au chercheur, et non dans le lancement d’un nouveau matériel quantique. L’utilisation directe d’Executor reste adaptée à ceux qui ont besoin de construire des chemins personnalisés ou de tester de nouveaux protocoles, tandis que les autres utilisateurs peuvent continuer à employer Sampler et Estimator. L’ampleur du bénéfice apporté par l’atténuation ou la correction à chaque expérience demeure liée au modèle de bruit, au coût de l’échantillonnage, ainsi qu’à la nature du circuit et du matériel utilisé.