모니터링, 캘리브레이션, 벤치마킹

양자 컴퓨터를 캘리브레이션하려면 양자 Gate와 리드아웃 연산을 구동하는 전기 신호를 정의하는 수많은 파라미터를 최적화해야 합니다. 양자 컴퓨터가 출시되기 전에는 예상되는 워크로드와 관련된 벤치마크를 기준으로 최상의 성능을 달성하기 위해 각 파라미터를 철저히 조정하는 초기 캘리브레이션 과정을 거칩니다. 양자 컴퓨터가 출시된 후에는 기기의 수명 동안 일관된 성능을 유지하는 것이 주요 목표입니다. 캘리브레이션된 많은 파라미터의 최적값은 무기한 안정적으로 유지되지만, 일부는 양자 프로세서 칩의 2준위 시스템(TLS) 환경 변화, 데이터 센터의 주변 조건(예: 온도) 변화, 또는 제어 시스템의 불안정성 등의 요인으로 인해 시간이 지남에 따라 변동합니다.

일관된 성능을 보장하기 위해 IBM® 양자 컴퓨터는 시간이 지남에 따라 드리프트될 수 있는 파라미터를 추적하기 위해 자주 모니터링되고, 필요한 경우 캘리브레이션을 실행하며, 일일 벤치마킹을 수행합니다. 이 페이지에서는 IBM 양자 컴퓨터 플릿이 최대한 안정적이고 예측 가능하며 사용자에게 가용한 상태를 유지하도록 함께 작동하는 세 가지 프로세스인 모니터링, 캘리브레이션, 벤치마킹을 자세히 설명합니다.

모니터링

파라미터 모니터링

간략한 파라미터 모니터링 작업이 대략 1시간마다 실행되며, 전체 Qiskit Runtime 소프트웨어 스택을 사용하여 사용자 작업 사이에 자동으로 삽입됩니다. 이 작업의 결과를 분석하여 파라미터가 허용 범위에서 벗어나기 시작했는지 확인하며, 가능하면 성능에 눈에 띄게 영향을 줄 만큼 심각해지기 전에 문제를 조기에 포착합니다.

모니터링되는 파라미터 중 일부는 다음과 같습니다:

• 리드아웃 각도, 진폭, 판별기 임계값 — 정확한 상태 판별, 낮은 누설, 안정적인 동작 보장. 여기에는 양자 제한 증폭기의 동작 파라미터가 포함됩니다.
• 단일 및 2-Qubit Gate 연산 — 올바른 회전 각도를 유지하고 위상 및 진폭 오류를 최소화하기 위해 기대한 대로 동작하는지 확인.
• TLS 활동의 신호.

이 모니터링 작업의 결과가 예상 성능에서 소폭 벗어남을 나타내면 적절한 캘리브레이션 작업이 시작됩니다. 심각한 TLS 활동이 감지되면 영향을 받는 Qubit과 연관된 Gate의 캘리브레이션 전략이 자동으로 수정될 수 있으며(캘리브레이션 일시 중지 포함), TLS 활동이 허용 수준으로 감소할 때까지 유지됩니다.

전체적 모니터링

개별 파라미터를 모니터링하는 작업 외에도 Bell 상태의 충실도를 확인하는 테스트와 같이 양자 컴퓨터의 성능을 보다 전체적으로 모니터링하는 작업이 있으며, 해당 기능을 지원하는 양자 컴퓨터에서 분수 Gate 및 동적 Circuit 테스트도 포함됩니다. 사용자 작업과 교차하여 전체 Qiskit Runtime 스택을 통해 실행되는 이 테스트들의 목표는 하드웨어와 소프트웨어의 전반적인 동작을 효율적으로 검증하는 것입니다. 이 테스트에서 성능이 크게 저하되면 문제가 해결될 때까지 양자 컴퓨터가 자동으로 작업 큐를 일시 중지하여, 기기가 정상적으로 작동할 때까지 사용자 작업이 실행되지 않도록 보장합니다.

캘리브레이션

캘리브레이션은 모니터링 작업에서 펄스 진폭이나 각도와 같은 파라미터가 이상값에서 벗어난 것이 감지될 때마다 트리거됩니다. 사용자 작업 사이에 하루 종일 실행되므로 캘리브레이션이 시작되고 끝나는 정해진 시간대는 없습니다. 파라미터 모니터링에서 특정 문제가 식별된 qubit/Gate에서만 실행되며, 특정 배치 규칙에 따라 동시에 실행해야 하는 Qubit도 포함됩니다. Heron QPU에서 캘리브레이션에 소요되는 총 시간은 일반적으로 하루 2시간 미만입니다.

단일 qubit 연산

이 캘리브레이션은 단일 qubit Gate인 sx, x, rx(분수)의 정확한 구현을 보장합니다. 조정 내용:

• qubit 주파수
• 펄스 진폭 및 위상

이 캘리브레이션은 영향을 받는 qubit 전체에 걸쳐 배치되며, 각 캘리브레이션 유형에 맞게 조정된 배치 전략으로 적절한 경우 동시에 실행됩니다.

2-Qubit 연산

• CZ 및 RZZ Gate 진폭과 위상 (Heron 및 Nighthawk 프로세서용)
• ECR Gate 진폭과 위상 (Eagle 프로세서용)

이 캘리브레이션은 크로스토크를 최소화하기 위해 최근접 이웃이 아닌 qubit 배치로 실행됩니다.

리드아웃

• 리드아웃 펄스 각도
• 측정 판별 파라미터

이 캘리브레이션은 캘리브레이션이 필요한 Qubit에서 동시에 실행됩니다.

캘리브레이션 스케줄링 방식

• 캘리브레이션 작업은 작업이나 세션이 실행 중인 동안에는 동시에 실행될 수 없습니다.
• 따라서 긴 세션 중에는 캘리브레이션이 지연되거나 드물게 실행되어 양자 컴퓨터의 유효 안정성이 저하될 수 있습니다.
• 동시에 제출된 두 작업은 타이밍에 따라 서로 다른 캘리브레이션 세트에서 실행될 수 있습니다.

벤치마킹

일일 벤치마킹은 양자 컴퓨터 성능에 대한 종합적인 뷰를 제공하고 Qiskit을 통해 사용자에게 전송되는 메트릭을 생성합니다. 사용자가 Qubit을 선택하고, 컴파일을 최적화하고, 예상 Circuit 성능을 더 잘 예측하는 데 도움이 됩니다. 보고된 수치는 프로그래밍 방식으로 또는 컴퓨팅 리소스 페이지(QPU를 클릭하여 상세 정보 카드 열기)에서 확인할 수 있습니다. 각 메트릭에 대한 자세한 내용은 설명서에서 확인하세요.

기기 드리프트

기기 드리프트(시간이 지남에 따라 하드웨어 성능이 저하되는 현상)의 영향은 캘리브레이션이 마지막으로 실행된 시점, 수행된 특정 실험, TLS 활동 등 여러 요인에 따라 다릅니다. 특정 워크로드가 기기 파라미터의 오류값에 매우 민감한 경우, IBM Quantum Learning의 이 튜토리얼을 따라 실시간 기기 파라미터 벤치마킹을 수행할 수 있습니다.

단일 qubit 성능

• 무작위 벤치마킹 (RB) — 배치 그룹으로 수행
• $T_1$ 및 $T_2$ 결맞음 시간
• 측정 충실도 메트릭

2-Qubit 성능

• CZ 및 RZZ 분수 Gate EPG (Heron), ECR (Eagle) — 해당 Gate에 대한 RB로 측정

시스템 수준 메트릭

• 레이어 충실도 (EPLG) — 최적의 100-Qubit 길이 문자열 기준