IBM은 IBM Quantum Compute Service를 위해 Directed Execution 모델을 선보였다. 이는 연구자들에게 양자 회로가 하드웨어에서 실행되기 전에 변환되고 무작위화되며 실행되는 방식을 직접 제어할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 오류 완화 로직을 IBM 서버 내부에 숨겨 두는 대신, 이 모델은 해당 로직을 고객 측에서 실행할 수 있도록 하며, 연구자는 100큐비트를 넘는 시스템의 성능을 포기하지 않고 이를 검사하고 수정하며 그 위에 맞춤형 경로를 구축할 수 있다.
이 모델은 Executor라는 새로운 실행 기본 요소를 중심으로 한다. Executor는 템플릿 회로와 그 매개변수를 텐서 연산으로 처리하므로, 회로 복사본으로 이루어진 대규모 집합을 수동으로 구성하지 않고도 관리할 수 있다. IBM에 따르면 Executor는 5,000개 이상의 무작위 연산을 포함하는 워크로드를 실행할 수 있으며, NumPy와 유사한 브로드캐스팅 규칙을 사용해 하나의 작업 안에서 잡음 수준, 측정 규칙, 매개변수 집합의 변경을 통한 스윕도 지원한다.
숨겨진 실행에서 검사 가능한 계획으로
Sampler와 Estimator 기본 요소는 대규모 실험을 처리할 때 성능을 높이기 위해 서버에서 회로 복사본을 생성했지만, 이로 인해 실행 과정이 블랙박스에 가까워졌다. Directed Execution은 이제 저수준 진입점을 제공하며, 동시에 Sampler와 Estimator를 Executor 위에서 작동하는 고수준 인터페이스로 계속 사용할 수 있도록 한다.
이 시스템은 Qiskit SDK 2.0 및 2.1에서 등장한 Boxes와 Annotations 기능을 사용해 회로 안의 의미 있는 영역을 지정하고 해당 영역에 필요한 변환을 설명한다. 기본 제공 주석에는 Pauli 또는 Clifford 트월링을 적용하는 Twirl, 조정 가능한 방식으로 잡음을 삽입하는 InjectNoise, 큐비트를 특정 기준 상태로 회전시키는 것을 제어하는 ChangeBasis가 포함된다.
그런 다음 오픈 소스 라이브러리인 Samplomatic은 주석이 달린 회로를 두 가지 출력으로 변환한다. 하나는 검사 가능한 템플릿 회로이고, 다른 하나는 무작위화와 고전적 후처리를 수행하는 방법을 지정하는 Samplex라는 구조화된 레시피다. 이 두 출력은 로컬에서 생성되므로 연구자는 작업을 양자 프로세서로 보내기 전에 변환의 전파를 검사할 수 있다.
연구자들에게 실질적으로 무엇이 달라지는가?
Sampler와 Estimator가 실행하는 오류 완화는 더 이상 숨겨진 서비스가 아니라 검사하고 맞춤 설정할 수 있는 기능이 되었다. Qiskit Noise Learning 라이브러리는 회로 영역 수준에서 잡음을 로컬로 특성화하며, Pauli-Lindblad 및 TREX 프로토콜을 지원한다. 또한 Qiskit Mitigation에는 확률적 오류 상쇄(PEC), 확률적 오류 증폭(PEA), TREX, 게이트 폴딩을 사용한 영잡음 외삽(ZNE)과 같은 기법의 구현이 포함되어 있다.
로컬 실행 환경도 테스트에 더욱 유용해졌다. 새로운 Estimator를 로컬 시뮬레이터와 함께 사용하면 양자 처리 장치의 시간을 소비하기 전에 동일한 오류 완화 옵션을 적용할 수 있다. IBM은 FakeKingston 모델이 156큐비트 장치를 모사한다고 설명한다. 이는 로컬에서 전체 상태 시뮬레이션을 수행하기에 적합하지 않은 규모이므로, IBM은 Clifford 시뮬레이션을 통한 신속한 근사 검사를 권장한다.
IBM은 PEC, Shaded Lightcones, TREX 및 사후 선택을 하나의 경로로 결합한 예도 제시한다. 자료에 언급된 결과에 따르면 Shaded Lightcones는 전체 잡음 모델 설정에서 비슷한 정확도를 유지하면서 PEC의 샘플링 비용을 약 3.4배 줄였다.
양자 오류 정정과의 연관성
Directed Execution은 오류 완화에만 국한되지 않는다. IBM은 동일한 로컬 제어 기능이 사후 선택을 이용한 양자 오류 정정과 표면 코드 실험을 포함한 오류 정정 연구도 지원한다고 말한다. IBM은 IBM Quantum Nighthawk에서 거리 5의 표면 코드를 적용한 연구를 언급하며, 성능이 낮은 일부 구성 요소를 식별하고 그 주변으로 코드를 유도함으로써 라운드당 논리 오류율을 최대 2.8배 개선했다고 밝혔다.
제어 범위는 펄스 수준까지 확장되며, 여기에는 게이트 타이밍, 큐비트의 신속한 재설정, 분류 전에 측정의 소프트 정보를 읽는 기능이 포함된다. 그러나 이러한 기능이 양자 오류 정정 문제가 해결되었다는 의미는 아니다. 이는 방법론을 연구하기 위한 더욱 투명한 실험 플랫폼을 제공할 뿐이며, 언급된 결과는 여전히 특정 실험과 도구에 연관되어 있다.
제공 여부와 제한 사항
로컬 Sampler 및 Estimator 기본 요소는 qiskit-ibm-runtime 버전 0.50.0에서 출시되었다. IBM은 기존 인터페이스 사용자가 대체로 가져오기 문만 업데이트하면 되며 코드 본문은 계속 작동한다고 말한다. 또한 회사는 V1과 이전의 서버 측 V2 기본 요소를 포함한 구버전에서 코드를 이전하는 데 도움을 주는 migrate-qiskit-ibm-runtime이라는 오픈 소스 도구를 출시했다.
여기서 핵심 가치는 새로운 양자 하드웨어를 출시하는 것이 아니라 제어권과 투명성을 연구자에게 이전하는 데 있다. Executor를 직접 사용하는 방식은 맞춤형 경로를 구축하거나 새로운 프로토콜을 테스트해야 하는 사람들에게 적합하며, 다른 사용자는 계속 Sampler와 Estimator를 사용할 수 있다. 각 실험이 오류 완화 또는 오류 정정에서 얻는 이점의 정도는 여전히 잡음 모델, 샘플 비용, 회로의 특성 및 사용되는 하드웨어에 따라 달라진다.