IBMはIBM Quantum Compute Service向けにDirected Executionモデルを提供した。これは、量子回路がハードウェア上で実行される前に、どのように変換、ランダム化、実行されるかを研究者が直接制御できるようにすることを目的としている。エラー緩和ロジックをIBMのサーバー内部に隠す代わりに、このモデルではそのロジックを顧客側で実行できるため、研究者はそれを検査、変更し、その上にカスタムの処理経路を構築できる。100量子ビットを超えるシステムの性能を犠牲にする必要もない。
このモデルの中核となるのは、新しい実行プリミティブExecutorである。Executorはテンプレート回路とそのパラメーターをテンソル演算として扱うため、回路インスタンスの大規模な集合を手作業で構築せずに管理できる。IBMによると、Executorは5,000件以上のランダム化処理を含むワークロードを実行でき、NumPyに似たブロードキャスト規則を使って、1つのジョブ内でノイズレベルのスキャン、測定規則の変更、パラメーター集合の変更もサポートする。
隠れた実行から検査可能なプランへ
SamplerとEstimatorのプリミティブは、大規模な実験を処理する際の性能を向上させるため、サーバー上で回路インスタンスを生成していた。しかし、そのため実行プロセスはブラックボックスに近いものとなっていた。Directed Executionは、低レベルのエントリーポイントを提供し直す一方で、SamplerとEstimatorをExecutor上で動作する高レベルのインターフェースとして引き続き利用できるようにしている。
このシステムは、Qiskit SDK 2.0および2.1で登場したBoxesとAnnotationsの機能を使い、回路内の意味のある領域を特定し、そこに必要な変換を記述する。利用可能な注釈には、PauliまたはCliffordのトワーリングを適用するTwirl、制御可能な方法でノイズを挿入するInjectNoise、量子ビットを特定の基底状態へ回転させる操作などを制御するChangeBasisが含まれる。
その後、オープンソースライブラリSamplomaticが注釈付き回路を2つの出力に変換する。1つは検査可能なテンプレート回路で、もう1つはランダム化と古典的な後処理の方法を定めるSamplexという構造化されたレシピである。これら2つの出力はローカルで生成されるため、研究者は量子プロセッサーにジョブを送信する前に、変換の伝播を検査できる。
研究者にとって実際に何が変わるのか
SamplerとEstimatorが実行するエラー緩和は、隠れたサービスではなく、検査とカスタマイズが可能になった。Qiskit Noise Learningライブラリは、回路領域レベルでのローカルなノイズ記述を提供し、Pauli-LindbladおよびTREXのプロトコルをサポートする。一方、Qiskit Mitigationには、確率的エラーキャンセレーション（PEC）、確率的エラー増幅（PEA）、TREX、ゲートフォールディングを用いたゼロノイズ外挿（ZNE）などの手法の実装が含まれる。
ローカルな実行環境もテストにより役立つようになった。新しいEstimatorをローカルシミュレーターと組み合わせて使用すると、量子処理装置の時間を消費する前に、同じエラー緩和オプションを適用できる。IBMは、FakeKingstonモデルが156量子ビットのデバイスをシミュレートすると説明している。これはローカルでの完全状態シミュレーションには適さない規模であるため、Cliffordシミュレーションによる高速な近似チェックを推奨している。
IBMは、PEC、Shaded Lightcones、TREX、ポストセレクションを1つの処理経路に組み合わせた例も示している。資料に記載された結果によると、Shaded Lightconesは完全なノイズモデルの設定において、同等の精度を維持しながら、PECにおけるサンプリングコストを約3.4倍削減した。
量子エラー訂正との関係
Directed Executionはエラー緩和に限定されない。IBMによると、同じローカル制御は、ポストセレクションによる量子エラー訂正や表面符号の実験を含む、エラー訂正研究も支援する。IBMは、IBM Quantum Nighthawkを用いた研究で距離5の表面符号を適用し、性能の低い複数のコンポーネントを特定してその周囲に符号を誘導することで、ラウンドごとの論理エラー率を最大2.8倍改善したと述べている。
制御はパルスレベルにも及び、ゲートのタイミング、量子ビットの高速リセット、分類前のソフト測定情報の読み出しなどが含まれる。ただし、これらの機能は量子エラー訂正が解決済みの問題になったことを意味しない。研究手法をより透明に研究するための実験プラットフォームを提供する一方、記載された結果は特定の実験とツールに関連するものであり続ける。
提供状況と制約
ローカル版のSamplerおよびEstimatorプリミティブはqiskit-ibm-runtimeのバージョン0.50.0でリリースされた。IBMによると、既存のインターフェースの利用者は、コード本体を引き続き動作させたまま、インポート文を更新するだけで済む場合が多い。また同社は、V1や従来のサーバー版V2プリミティブを含む旧バージョンからコードを移行するためのオープンソースツールmigrate-qiskit-ibm-runtimeもリリースした。
ここでの基本的な価値は、新しい量子ハードウェアの発表ではなく、制御と透明性を研究者側へ移すことにある。Executorを直接使用する方法は、カスタムの処理経路を構築したり、新しいプロトコルをテストしたりする必要がある利用者に適している。一方、その他の利用者はSamplerとEstimatorを引き続き使用できる。各実験がエラー緩和またはエラー訂正からどの程度恩恵を受けるかは、ノイズモデル、サンプルコスト、回路の性質、使用するハードウェアに左右される。