IBM, devrelerin donanım üzerinde çalıştırılmadan önce nasıl dönüştürüldüğü, rastgeleleştirildiği ve yürütüldüğü üzerinde araştırmacılara doğrudan kontrol vermek amacıyla IBM Quantum Compute Service için Directed Execution modelini tanıttı. Hata azaltma mantığını IBM sunucularında gizli tutmak yerine bu model, söz konusu mantığın müşteri tarafında çalıştırılmasını mümkün kılıyor. Böylece araştırmacılar, 100 kübitin üzerindeki sistemlerin performansından vazgeçmeden mantığı inceleyebiliyor, değiştirebiliyor ve bunun üzerine özel akışlar oluşturabiliyor.
Model, Executor adlı yeni bir yürütme ilkel yapıtaşına dayanıyor. Executor, şablon devreyi ve parametrelerini tensörler üzerindeki işlemler olarak ele alıyor; bu da büyük devre kopyası ailelerinin elle derlenmeden yönetilmesini sağlıyor. IBM'e göre Executor, 5.000 veya daha fazla rastgele işlem içeren iş yüklerini çalıştırabiliyor. Ayrıca NumPy benzeri yayınlama kurallarını kullanarak tek bir görev içinde gürültü seviyeleri, ölçüm kurallarındaki değişiklikler ve parametre kümeleri üzerinde taramayı destekliyor.
Gizli yürütmeden incelenebilir bir plana
Sampler ve Estimator ilkel yapıtaşları, büyük deneylerle çalışırken performansı artırmak için devre kopyalarını sunucu üzerinde oluşturuyordu; ancak bu durum yürütme sürecini kara kutuya daha çok yaklaştırıyordu. Directed Execution, Executor üzerinde çalışan üst düzey arayüzler olarak Sampler ve Estimator'ı erişilebilir tutarken düşük seviyeli bir giriş noktası sunuyor.
Sistem, devre içinde anlamlı bölgeleri belirlemek ve bunlara uygulanması gereken dönüşümleri tanımlamak için Qiskit SDK 2.0 ve 2.1'de ortaya çıkan Boxes ve Annotations özelliklerini kullanıyor. Hazır açıklamalar arasında Pauli veya Clifford twirling uygulayan Twirl, kontrollü biçimde gürültü ekleyen InjectNoise ve kübitlerin belirli temel durumlarına ve bu durumlardan dönüşünü kontrol eden ChangeBasis bulunuyor.
Ardından açık kaynaklı Samplomatic kütüphanesi, açıklama eklenmiş devreyi iki çıktıya dönüştürüyor: incelenebilir bir şablon devre ve rastgeleleştirmenin ve sonraki klasik işlemenin nasıl yapılacağını belirleyen Samplex adlı yapılandırılmış bir tarif. Bu iki çıktı yerel olarak oluşturulduğundan araştırmacı, işi kuantum işlemciye göndermeden önce dönüşümlerin yayılımını inceleyebiliyor.
Araştırmacılar açısından pratikte ne değişiyor?
Sampler ve Estimator tarafından uygulanan hata azaltma, gizli bir hizmet olmaktan çıkarak incelenebilir ve özelleştirilebilir hale geliyor. Qiskit Noise Learning kütüphanesi, devre bölgeleri düzeyinde yerel gürültü karakterizasyonu sunuyor ve Pauli-Lindblad ile TREX protokollerini destekliyor. Qiskit Mitigation ise olasılıksal hata iptali (PEC), olasılıksal hata yükseltme (PEA), TREX ve kapı katlama kullanılarak sıfır gürültüye ekstrapolasyon (ZNE) gibi yöntemlerin uygulamalarını içeriyor.
Yerel çalışma ortamı da testler için daha kullanışlı hale geliyor. Yeni Estimator yerel bir simülatörle kullanıldığında aynı hata azaltma seçenekleri, kuantum işlem biriminde zaman harcanmadan önce uygulanabiliyor. IBM, FakeKingston modelinin 156 kübitlik bir cihazı simüle ettiğini ve bu boyutun yerel olarak tam durum simülasyonuna uygun olmadığını belirtiyor; bu nedenle Clifford simülasyonu üzerinden hızlı yaklaşık kontroller öneriliyor.
IBM, PEC, Shaded Lightcones, TREX ve sonradan seçmeyi tek bir akışta birleştiren bir örnek sunuyor. Materyalde belirtilen sonuçlara göre Shaded Lightcones, tam gürültü modeli ayarı içinde benzer doğruluğu korurken PEC'deki örnekleme maliyetini yaklaşık 3,4 kat azalttı.
Modelin kuantum hata düzeltmeyle bağlantısı
Directed Execution yalnızca hata azaltmayla sınırlı değil. IBM, aynı yerel kontrolün kuantum hata düzeltme araştırmalarını da desteklediğini söylüyor. Buna sonradan seçme yoluyla kuantum hata düzeltme ve yüzey kodu deneyleri de dahil. IBM, IBM Quantum Nighthawk üzerinde yapılan bir çalışmada mesafe 5 yüzey kodunun uygulandığını ve daha düşük performans gösteren bazı bileşenlerin belirlenip kodun bunların çevresine yönlendirilmesiyle tur başına mantıksal hata oranının 2,8 kata kadar iyileştirildiğini belirtiyor.
Kontrol, kapı zamanlaması, kübitlerin hızlı sıfırlanması ve sınıflandırmadan önce yumuşak ölçüm bilgilerinin okunması dahil olmak üzere darbe düzeyine kadar uzanıyor. Ancak bu olanaklar kuantum hata düzeltmenin artık çözülmüş bir sorun olduğu anlamına gelmiyor. Bunlar yöntemleri incelemek için daha şeffaf bir deney platformu sağlarken, belirtilen sonuçlar belirli deneyler ve araçlarla bağlantılı kalıyor.
Kullanılabilirlik ve sınırlamalar
Yerel Sampler ve Estimator ilkel yapıtaşları qiskit-ibm-runtime'ın 0.50.0 sürümünde kullanıma sunuldu. IBM, mevcut arayüzlerin kullanıcılarının çoğunlukla yalnızca içe aktarma ifadelerini güncellemesi gerektiğini ve kodun gövdesinin çalışmaya devam edeceğini söylüyor. Şirket ayrıca, V1 ve eski sunucu tarafı V2 ilkel yapıtaşları da dahil olmak üzere kodların eski sürümlerden taşınmasına yardımcı olmak için migrate-qiskit-ibm-runtime adlı açık kaynaklı bir araç yayımladı.
Buradaki temel değer yeni bir kuantum donanımının kullanıma sunulması değil, kontrolün ve şeffaflığın araştırmacıya aktarılmasıdır. Executor'ı doğrudan kullanmak, özel akışlar oluşturması veya yeni protokolleri test etmesi gerekenler için uygun olmaya devam ederken diğer kullanıcılar Sampler ve Estimator'ı kullanmayı sürdürebilir. Her deneyin hata azaltma veya düzeltmeden ne ölçüde yararlanacağı ise gürültü modeline, örnekleme maliyetine, devrenin niteliğine ve kullanılan donanıma bağlı kalıyor.