유틸리티 규모 실험 III

참고

Toshinari Itoko, Tamiya Onodera, Kifumi Numata (2024년 7월 19일)

원본 강의의 PDF 다운로드. 일부 코드 스니펫은 정적 이미지이므로 더 이상 사용되지 않을 수 있습니다.

이 첫 번째 실험을 실행하는 데 필요한 QPU 시간은 약 12분 30초입니다. 아래에 약 4분이 필요한 추가 실험이 있습니다.

(참고: 이 노트북은 Open Plan에서 허용된 시간 내에 평가되지 않을 수 있습니다. 양자 컴퓨팅 리소스를 현명하게 사용하세요.)

# Added by doQumentation — required packages for this notebook
!pip install -q numpy qiskit qiskit-ibm-runtime rustworkx

import qiskit

qiskit.__version__

'2.0.2'

import qiskit_ibm_runtime

qiskit_ibm_runtime.__version__

'0.40.1'

import numpy as np
import rustworkx as rx

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.visualization import plot_histogram
from qiskit.visualization import plot_gate_map
from qiskit.transpiler.preset_passmanagers import generate_preset_pass_manager
from qiskit.providers import BackendV2
from qiskit.quantum_info import SparsePauliOp

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService
from qiskit_ibm_runtime import Sampler, Estimator, Batch, SamplerOptions

1. 소개

GHZ 상태를 간략히 복습하고, Sampler를 적용했을 때 어떤 분포를 기대할 수 있는지 살펴봅니다. 그런 다음 이 강의의 목표를 명확히 설명하겠습니다.

1.1 GHZ 상태

$n$개의 Qubit에 대한 GHZ 상태(Greenberger-Horne-Zeilinger 상태)는 다음과 같이 정의됩니다.

$$\frac{1}{\sqrt 2}(|0\rangle ^ {\otimes n}+ |1\rangle^ {\otimes n})$$

이 상태는 아래의 양자 Circuit을 사용하여 6개의 Qubit에 대해 자연스럽게 생성할 수 있습니다.

N = 6
qc = QuantumCircuit(N, N)

qc.h(0)
for i in range(N - 1):
    qc.cx(0, i + 1)

# qc.measure_all()
qc.barrier()
qc.measure(list(range(N)), list(range(N)))

qc.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5)

print("Depth:", qc.depth())

Depth: 7

깊이는 그리 크지 않지만, 이전 강의에서 더 잘할 수 있다는 것을 알고 있습니다. Backend를 선택하고 이 Circuit을 트랜스파일해 봅시다.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy(operational=True, simulator=False)
backend.name
# or
# backend = service.least_busy(operational=True)
# backend.name

'ibm_kingston'

pm = generate_preset_pass_manager(3, backend=backend)
qc_transpiled = pm.run(qc)
qc_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", qc_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    qc_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 27
Two-qubit Depth: 11

트랜스파일된 2-Qubit 깊이도 그리 크지 않습니다. 하지만 더 많은 Qubit에서 GHZ 상태를 다루려면 Circuit 최적화를 고민해야 합니다. Sampler를 사용하여 실행하고, 실제 양자 컴퓨터가 반환하는 결과를 확인해 봅시다.

sampler = Sampler(mode=backend)
shots = 40000
job = sampler.run([qc_transpiled], shots=shots)
job_id = job.job_id()
print(job_id)

d147y20n2txg008jvv70

job.status()

'DONE'

job = service.job(job_id)
result = job.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

이것이 6-Qubit GHZ Circuit의 결과입니다. 보면 알 수 있듯이 모든 $|0\rangle$과 모든 $|1\rangle$ 상태가 지배적이긴 하지만 오류가 상당합니다. Eagle 장치에서 올바른 상태가 최소 50% 이상의 확률로 나타나도록 하면서 얼마나 큰 GHZ Circuit을 만들 수 있는지 살펴봅시다.

1.2 목표

20개 이상의 Qubit에 대한 GHZ Circuit을 구성하여, 측정 시 GHZ 상태의 충실도 > 0.5를 달성하세요. 참고:

• Eagle 장치(min_num_qubits=127)를 사용하고 shots 수를 40,000으로 설정해야 합니다.
• execute_ghz_fidelity 함수를 사용하여 GHZ Circuit을 실행하고, check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 충실도를 계산해야 합니다.

이 실습은 지금까지 이 과정에서 배운 내용을 활용하는 독립 과제입니다.

def execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit: QuantumCircuit,  # Quantum circuit to create GHZ state (Circuit after Routing or without Routing), Classical register name is "c"
    physical_qubits: list[int],  # Physical qubits to represent GHZ state
    backend: BackendV2,
    sampler_options: dict | SamplerOptions | None = None,
):
    N_SHOTS = 40_000
    N = len(physical_qubits)
    base_circuit = ghz_circuit.remove_final_measurements(inplace=False)
    # M_k measurement circuits
    mk_circuits = []
    for k in range(1, N + 1):
        circuit = base_circuit.copy()
        # change measurement basis
        for q in physical_qubits:
            circuit.rz(-k * np.pi / N, q)
            circuit.h(q)
        mk_circuits.append(circuit)

    obs = SparsePauliOp.from_sparse_list(
        [("Z" * N, physical_qubits, 1)], num_qubits=backend.num_qubits
    )
    job_ids = []
    pm1 = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
    org_transpiled = pm1.run(ghz_circuit)
    mk_transpiled = pm1.run(mk_circuits)
    with Batch(backend=backend):
        sampler = Sampler(options=sampler_options)
        sampler.options.twirling.enable_measure = True
        job = sampler.run([org_transpiled], shots=N_SHOTS)
        job_ids.append(job.job_id())
        # print(f"Sampler job id: {job.job_id()}, shots={N_SHOTS}")
        estimator = Estimator()  # TREX is applied as default
        estimator.options.dynamical_decoupling.enable = True
        estimator.options.execution.rep_delay = 0.0005
        estimator.options.twirling.enable_measure = True
        job2 = estimator.run([(circ, obs) for circ in mk_transpiled], precision=1 / 100)
        job_ids.append(job2.job_id())
        # print("Estimator job id:", job2.job_id())
        return [job.job_id(), job2.job_id()]

def check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job,
    estimator_job,
    num_qubits,
    shots=40_000,
):
    N = num_qubits
    sampler_result = sampler_job.result()
    counts = sampler_result[0].data.c.get_counts()
    all_zero = counts.get("0" * N, 0) / shots
    all_one = counts.get("1" * N, 0) / shots
    top3 = sorted(counts, key=counts.get, reverse=True)[:3]
    print(
        f"N={N}: |00..0>: {counts.get('0'*N, 0)}, |11..1>: {counts.get('1'*N, 0)}, |3rd>: {counts.get(top3[2], 0)} ({top3[2]})"
    )
    print(f"P(|00..0>)={all_zero}, P(|11..1>)={all_one}")

    estimator_result = estimator_job.result()
    non_diagonal = (1 / N) * sum(
        (-1) ** k * estimator_result[k - 1].data.evs for k in range(1, N + 1)
    )
    print(f"REM: Coherence (non-diagonal): {non_diagonal:.6f}")
    fidelity = 0.5 * (all_zero + all_one + non_diagonal)
    sigma = 0.5 * np.sqrt(
        (1 - all_zero - all_one) * (all_zero + all_one) / shots
        + sum(estimator_result[k].data.stds ** 2 for k in range(N)) / (N * N)
    )
    print(f"GHZ fidelity = {fidelity:.6f} ± {sigma:.6f}")
    if fidelity - 2 * sigma > 0.5:
        print("GME (genuinely multipartite entangled) test: Passed")
    else:
        print("GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed")
    return {
        "fidelity": fidelity,
        "sigma": sigma,
        "shots": shots,
        "job_ids": [sampler_job.job_id(), estimator_job.job_id()],
    }

이 노트북에서는 세 가지 전략을 적용하여 16개 Qubit과 30개 Qubit을 사용하는 양호한 GHZ 상태를 생성합니다. 이러한 접근 방식은 이전 강의에서 이미 배운 전략을 기반으로 합니다.

2. 전략 1. 노이즈 인식 qubit 선택

먼저 Backend를 지정합니다. 특정 Backend의 속성을 집중적으로 다룰 예정이므로, least_busy 옵션을 사용하는 대신 하나의 Backend를 명시적으로 지정하는 것이 좋습니다.

backend = service.backend("ibm_strasbourg")  # eagle
twoq_gate = "ecr"
print(f"Device {backend.name} Loaded with {backend.num_qubits} qubits")
print(f"Two Qubit Gate: {twoq_gate}")

Device ibm_strasbourg Loaded with 127 qubits
Two Qubit Gate: ecr

이제 2-Qubit Gate가 많이 포함된 Circuit을 구성할 예정입니다. 2-Qubit Gate 실행 시 오류율이 가장 낮은 Qubit을 사용하는 것이 합리적입니다. 보고된 2-Qubit Gate 오류를 기준으로 최적의 "Qubit 체인"을 찾는 것은 간단하지 않은 문제입니다. 하지만 최적의 Qubit을 결정하는 데 도움이 되는 몇 가지 함수를 정의할 수 있습니다.

coupling_map = backend.target.build_coupling_map(twoq_gate)
G = coupling_map.graph

def to_edges(path):  # create edges list from node paths
    edges = []
    prev_node = None
    for node in path:
        if prev_node is not None:
            if G.has_edge(prev_node, node):
                edges.append((prev_node, node))
            else:
                edges.append((node, prev_node))
        prev_node = node
    return edges

def path_fidelity(path, correct_by_duration: bool = True, readout_scale: float = None):
    """Compute an estimate of the total fidelity of 2-qubit gates on a path.
    If `correct_by_duration` is true, each gate fidelity is worsen by
    scale = max_duration / duration, that is, gate_fidelity^scale.
    If `readout_scale` > 0 is supplied, readout_fidelity^readout_scale
    for each qubit on the path is multiplied to the total fielity.
    The path is given in node indices form, for example, [0, 1, 2].
    An external function `to_edges` is used to obtain edge list, for example, [(0, 1), (1, 2)]."""
    path_edges = to_edges(path)
    max_duration = max(backend.target[twoq_gate][qs].duration for qs in path_edges)

    def gate_fidelity(qpair):
        duration = backend.target[twoq_gate][qpair].duration
        scale = max_duration / duration if correct_by_duration else 1.0
        # 1.25 = (d+1)/d with d = 4
        return max(0.25, 1 - (1.25 * backend.target[twoq_gate][qpair].error)) ** scale

    def readout_fidelity(qubit):
        return max(0.25, 1 - backend.target["measure"][(qubit,)].error)

    total_fidelity = np.prod(
        [gate_fidelity(qs) for qs in path_edges]
    )  # two qubits gate fidelity for each path
    if readout_scale:
        total_fidelity *= (
            np.prod([readout_fidelity(q) for q in path]) ** readout_scale
        )  # multiply readout fidelity
    return total_fidelity

def flatten(paths, cutoff=None):  # cutoff is for not making run time too large
    return [
        path
        for s, s_paths in paths.items()
        for t, st_paths in s_paths.items()
        for path in st_paths[:cutoff]
        if s < t
    ]

N = 16  # Number of qubits to use in the GHZ circuit
num_qubits_in_chain = N

위 함수들을 활용해 그래프의 모든 노드 쌍 사이에서 N개의 Qubit으로 구성된 단순 경로를 모두 탐색합니다 (참고: all_pairs_all_simple_paths).

그런 다음, 위에서 정의한 path_fidelity 함수를 사용하여 경로 충실도(path fidelity)가 가장 높은 최적의 qubit 체인을 찾습니다.

from functools import partial

%%time
paths = rx.all_pairs_all_simple_paths(
    G.to_undirected(multigraph=False),
    min_depth=num_qubits_in_chain,
    cutoff=num_qubits_in_chain,
)
paths = flatten(paths, cutoff=25)  # If you have time, you could set a larger cutoff.
if not paths:
    raise Exception(
        f"No qubit chain with length={num_qubits_in_chain} exists in {backend.name}. Try smaller num_qubits_in_chain."
    )

print(f"Selecting the best from {len(paths)} candidate paths")

best_qubit_chain = max(
    paths, key=partial(path_fidelity, correct_by_duration=True, readout_scale=1.0)
)
assert len(best_qubit_chain) == num_qubits_in_chain
print(f"Predicted (best possible) process fidelity: {path_fidelity(best_qubit_chain)}")

Selecting the best from 6046 candidate paths
Predicted (best possible) process fidelity: 0.8929026784775056
CPU times: user 284 ms, sys: 10.9 ms, total: 295 ms
Wall time: 295 ms

np.array(best_qubit_chain)

array([55, 49, 48, 47, 46, 45, 54, 64, 65, 66, 73, 85, 86, 87, 88, 89],
      dtype=uint64)

커플링 맵 다이어그램에서 최적의 qubit 체인을 분홍색으로 표시해 보겠습니다.

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in best_qubit_chain:
        qubit_color.append("#ff00dd")  # pink
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
plot_gate_map(
    backend, qubit_color=qubit_color, qubit_size=50, font_size=25, figsize=(6, 6)
)

2.1 최적 qubit 체인 위에 GHZ Circuit 구성하기

체인의 중앙에 위치한 Qubit에 먼저 H Gate를 적용합니다. 이렇게 하면 Circuit의 깊이가 약 절반으로 줄어듭니다.

ghz1 = QuantumCircuit(max(best_qubit_chain) + 1, N)
ghz1.h(best_qubit_chain[N // 2])
for i in range(N // 2, 0, -1):
    ghz1.cx(best_qubit_chain[i], best_qubit_chain[i - 1])
for i in range(N // 2, N - 1, +1):
    ghz1.cx(best_qubit_chain[i], best_qubit_chain[i + 1])
ghz1.barrier()  # for visualization
ghz1.measure(best_qubit_chain, list(range(N)))
ghz1.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5, fold=-1)

ghz1.depth()

10

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz1_transpiled = pm.run(ghz1)
ghz1_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", ghz1_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz1_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 27
Two-qubit Depth: 8

opts = SamplerOptions()

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz1,
    physical_qubits=best_qubit_chain,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

DONE DONE

위 작업의 상태가 'DONE'이 된 것을 확인한 후에 다음 셀을 실행하여 check_ghz_fidelity_from_jobs 함수로 결과를 확인하세요.

N = 16
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

N=16: |00..0>: 153, |11..1>: 8681, |3rd>: 2262 (1111111111101111)
P(|00..0>)=0.003825, P(|11..1>)=0.217025
REM: Coherence (non-diagonal): 0.073809
GHZ fidelity = 0.147329 ± 0.002438
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

이 결과는 기준을 충족하지 못합니다. 다음 아이디어로 넘어가겠습니다.

3. 전략 2. 균형 잡힌 qubit 트리

다음 아이디어는 균형 잡힌 qubit 트리를 찾는 것입니다. 체인 대신 트리를 사용하면 Circuit 깊이가 더 낮아질 수 있습니다. 그 전에, 커플링 그래프에서 "불량" 판독 오류를 가진 노드와 "불량" Gate 오류를 가진 에지를 제거합니다.

BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD = 0.1
BAD_ECRGATE_ERROR_THRESHOLD = 0.1
bad_readout_qubits = [
    q
    for q in range(backend.num_qubits)
    if backend.target["measure"][(q,)].error > BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD
]
bad_ecrgate_edges = [
    qpair
    for qpair in backend.target["ecr"]
    if backend.target["ecr"][qpair].error > BAD_ECRGATE_ERROR_THRESHOLD
]
print("Bad readout qubits:", bad_readout_qubits)
print("Bad ECR gates:", bad_ecrgate_edges)

Bad readout qubits: [19, 28, 41, 72, 91, 114, 120]
Bad ECR gates: []

g = backend.coupling_map.graph.copy().to_undirected()
g.remove_edges_from(
    bad_ecrgate_edges
)  # remove edge first (otherwise might fail with a NoEdgeBetweenNodes error)
g.remove_nodes_from(bad_readout_qubits)

불량 에지와 불량 Qubit을 제외한 커플링 맵 그래프를 그려 보겠습니다.

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_ecrgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")  # white
    else:
        line_color.append("#888888")  # gray
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

이전과 동일하게 16-Qubit GHZ 상태를 생성해 보겠습니다.

N = 16

루트 노드에 사용할 Qubit를 찾기 위해 betweenness_centrality 함수를 호출합니다. 매개 중심성(betweenness centrality) 값이 가장 높은 노드가 그래프의 중심에 위치합니다. 참고: https://www.rustworkx.org/tutorial/betweenness_centrality.html

또는 직접 선택할 수도 있습니다.

# central = 65 #Select the center node manually
c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
central = max(c_degree, key=c_degree.get)
central

66

루트 노드부터 시작하여 너비 우선 탐색(BFS)으로 트리를 생성합니다. 참고: https://qiskit.org/ecosystem/rustworkx/apiref/rustworkx.bfs_search.html#rustworkx-bfs-search

class TreeEdgesRecorder(rx.visit.BFSVisitor):
    def __init__(self, N):
        self.edges = []
        self.N = N

    def tree_edge(self, edge):
        self.edges.append(edge)
        if len(self.edges) >= self.N - 1:
            raise rx.visit.StopSearch()

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
# print('Tree edges:', vis.edges)

print("Qubits selected:", best_qubits)

Qubits selected: [54, 55, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 73, 83, 84, 85, 86, 87]

선택된 qubit(분홍색으로 표시)을 커플링 맵 다이어그램에 그려 보겠습니다.

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")  # pink
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

Qubit의 트리 구조를 표시해 보겠습니다.

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

ghz2 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz2.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz2.cx(u, v)
ghz2.barrier()  # for visualization
ghz2.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz2.draw(output="mpl", idle_wires=False, scale=0.5)

ghz2.depth()

8

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz2_transpiled = pm.run(ghz2)
ghz2_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", ghz2_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz2_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 22
Two-qubit Depth: 6

이제 Circuit 깊이가 체인 구조에 비해 훨씬 낮아졌습니다.

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz2,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

DONE DONE

N = 16
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

N=16: |00..0>: 9509, |11..1>: 10978, |3rd>: 1795 (1111110111111111)
P(|00..0>)=0.237725, P(|11..1>)=0.27445
REM: Coherence (non-diagonal): 0.606515
GHZ fidelity = 0.559345 ± 0.003188
GME (genuinely multipartite entangled) test: Passed

균형 잡힌 트리 구조로 기준을 성공적으로 통과했습니다!

result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

이제 더 큰 GHZ 상태, 즉 30-Qubit GHZ 상태를 생성해 보겠습니다.

3.1 N = 30

Qiskit 패턴 프레임워크를 따르겠습니다.

• 1단계: 문제를 양자 Circuit 및 연산자로 매핑

• 2단계: 대상 하드웨어에 맞게 최적화

• 3단계: 대상 하드웨어에서 실행

• 4단계: 결과 후처리

1단계: 문제를 양자 Circuit 및 연산자로 매핑, 2단계: 대상 하드웨어에 맞게 최적화

여기서는 루트 노드를 수동으로 선택합니다.

central = 62  # Select the center node manually
# c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
# central = max(c_degree, key=c_degree.get)
# central

N = 30

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Qubits selected: [34, 35, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 53, 54, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 71, 73, 77, 84, 85, 86]

qubit_color = []
for i in range(133):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_ecrgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")
    else:
        line_color.append("#888888")
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=50,
    font_size=25,
    figsize=(6, 6),
)

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

이 트리의 깊이는 5입니다.

ghz3 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz3.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz3.cx(u, v)
ghz3.barrier()  # for visualization
ghz3.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz3.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

ghz3.depth()

11

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz3_transpiled = pm.run(ghz3)
ghz3_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", ghz3_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz3_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 31
Two-qubit Depth: 9

3.2 루트 노드를 수동으로 다르게 선택하기

central = 54

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Qubits selected: [23, 24, 25, 34, 35, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 54, 55, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 73, 84, 85, 86]

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

이 트리의 깊이는 6입니다.

ghz3 = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz3.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz3.cx(u, v)
ghz3.barrier()  # for visualization
ghz3.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz3.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

ghz3.depth()

11

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz3_transpiled = pm.run(ghz3)
ghz3_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", ghz3_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz3_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 30
Two-qubit Depth: 9

놀랍게도, 트리 깊이는 5에서 6으로 늘어났지만 2-Qubit 깊이는 9에서 8로 줄어들었습니다! 따라서 후자의 Circuit을 사용하겠습니다.

3단계: 타겟 하드웨어에서 실행하기

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz3,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

DONE DONE

4단계: 결과 후처리하기

N = 30
# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

N=30: |00..0>: 4, |11..1>: 218, |3rd>: 265 (111111111111111011111111111111)
P(|00..0>)=0.0001, P(|11..1>)=0.00545
REM: Coherence (non-diagonal): 0.187073
GHZ fidelity = 0.096312 ± 0.003254
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

보면 알 수 있듯이, 이 결과는 기준을 충족하지 못했습니다.

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

4. 전략 3. 오류 억제 옵션을 사용하여 실행하기

Sampler V2에서 오류 억제 옵션을 설정할 수 있습니다. 자세한 내용은 Sampler 노이즈 관리 가이드와 ExecutionOptionsV2 API 레퍼런스를 참고하세요.

opts = SamplerOptions()
opts.dynamical_decoupling.enable = True
opts.execution.rep_delay = 0.0005
opts.twirling.enable_gates = True

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz3,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

DONE DONE

N = 30

# Check fidelity from job IDs
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

N=30: |00..0>: 1459, |11..1>: 1543, |3rd>: 359 (111111111111111111111111111110)
P(|00..0>)=0.036475, P(|11..1>)=0.038575
REM: Coherence (non-diagonal): 0.165532
GHZ fidelity = 0.120291 ± 0.003369
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

결과가 개선되었지만, 여전히 기준을 충족하지 못했습니다.

지금까지 세 가지 아이디어를 살펴봤습니다. 이러한 아이디어들을 조합하고 확장하거나, 더 나은 GHZ Circuit을 만들기 위한 자신만의 아이디어를 떠올려 볼 수 있습니다. 이제 목표를 다시 한번 되짚어 보겠습니다.

5. 목표 (요약)

측정 결과가 기준을 충족하도록, 즉 GHZ 상태의 충실도(fidelity) > 0.5가 되도록 20 qubit 이상의 GHZ Circuit을 구성하세요.

• Eagle 장치(예: ibm_brisbane)를 사용하고, shots 수를 40,000으로 설정해야 합니다.

• execute_ghz_fidelity 함수를 사용하여 GHZ 회로를 실행하고, check_ghz_fidelity_from_jobs 함수를 사용하여 충실도를 계산해야 합니다. 기준을 충족하는 가장 큰 큐비트 - GHZ 회로를 찾아야 합니다. 아래에 코드를 작성하고, check_ghz_fidelity_from_jobs 함수로 결과를 보여주세요.

이제 앞서 다룬 것과 동일한 GHZ 워크플로를 Heron 장치에서 구현합니다. 이를 통해 Heron 프로세서의 레이아웃과 특성을 경험할 수 있습니다. 새로운 전략은 소개하지 않습니다.

다음 실험의 예상 QPU 실행 시간은 약 4분 40초입니다.

service = QiskitRuntimeService()
backend = service.backend("ibm_kingston")
# backend = service.backend("ibm_fez")

twoq_gate = "cz"
print(f"Device {backend.name} Loaded with {backend.num_qubits} qubits")
print(f"Two Qubit Gate: {twoq_gate}")

Device ibm_kingston Loaded with 156 qubits
Two Qubit Gate: cz

BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD = 0.1
BAD_CZGATE_ERROR_THRESHOLD = 0.1
bad_readout_qubits = [
    q
    for q in range(backend.num_qubits)
    if backend.target["measure"][(q,)].error > BAD_READOUT_ERROR_THRESHOLD
]
bad_czgate_edges = [
    qpair
    for qpair in backend.target["cz"]
    if backend.target["cz"][qpair].error > BAD_CZGATE_ERROR_THRESHOLD
]
print("Bad readout qubits:", bad_readout_qubits)
print("Bad CZ gates:", bad_czgate_edges)

Bad readout qubits: [112, 113, 120, 131, 146]
Bad CZ gates: [(111, 112), (112, 111), (112, 113), (113, 112), (120, 121), (121, 120), (130, 131), (131, 130), (145, 146), (146, 145), (146, 147), (147, 146)]

g = backend.coupling_map.graph.copy().to_undirected()
g.remove_edges_from(
    bad_czgate_edges
)  # remove edge first (otherwise might fail with a NoEdgeBetweenNodes error)
g.remove_nodes_from(bad_readout_qubits)

qubit_color = []
for i in range(backend.num_qubits):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")  # black
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")  # purple
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_czgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")  # white
    else:
        line_color.append("#888888")  # gray
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=60,
    font_size=30,
    figsize=(10, 10),
)

N = 40
central = 100  # Select the center node manually
# c_degree = dict(rx.betweenness_centrality(g))
# central = max(c_degree, key=c_degree.get)
# central

class TreeEdgesRecorder(rx.visit.BFSVisitor):
    def __init__(self, N):
        self.edges = []
        self.N = N

    def tree_edge(self, edge):
        self.edges.append(edge)
        if len(self.edges) >= self.N - 1:
            raise rx.visit.StopSearch()

vis = TreeEdgesRecorder(N)
rx.bfs_search(g, [central], vis)
best_qubits = sorted(list(set(q for e in vis.edges for q in (e[0], e[1]))))
print("Qubits selected:", best_qubits)

Qubits selected: [61, 65, 76, 77, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 96, 97, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 116, 117, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 136, 140, 141, 142, 143, 144, 145]

qubit_color = []
for i in range(backend.num_qubits):
    if i in bad_readout_qubits:
        qubit_color.append("#000000")
    elif i in best_qubits:
        qubit_color.append("#ff00dd")
    else:
        qubit_color.append("#8c00ff")
line_color = []
for e in backend.target.build_coupling_map().get_edges():
    if e in bad_czgate_edges:
        line_color.append("#ffffff")
    else:
        line_color.append("#888888")
plot_gate_map(
    backend,
    qubit_color=qubit_color,
    line_color=line_color,
    qubit_size=60,
    font_size=30,
    figsize=(10, 10),
)

from rustworkx.visualization import graphviz_draw

tree = rx.PyDiGraph()
tree.extend_from_weighted_edge_list(vis.edges)
tree.remove_nodes_from([n for n in range(max(best_qubits) + 1) if n not in best_qubits])

graphviz_draw(tree, method="dot")

ghz_h = QuantumCircuit(max(best_qubits) + 1, N)

ghz_h.h(tree.edge_list()[0][0])  # apply H-gate to the root node
# Apply CNOT from the root node to the each edge.
for u, v in tree.edge_list():
    ghz_h.cx(u, v)
ghz_h.barrier()  # for visualization
ghz_h.measure(best_qubits, list(range(N)))
ghz_h.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

ghz_h.depth()

15

pm = generate_preset_pass_manager(1, backend=backend)
ghz_h_transpiled = pm.run(ghz_h)
ghz_h_transpiled.draw(output="mpl", idle_wires=False, fold=-1)

print("Depth:", ghz_h_transpiled.depth())
print(
    "Two-qubit Depth:",
    ghz_h_transpiled.depth(filter_function=lambda x: x.operation.num_qubits == 2),
)

Depth: 45
Two-qubit Depth: 13

opts = SamplerOptions()
opts.dynamical_decoupling.enable = True
opts.execution.rep_delay = 0.0005
opts.twirling.enable_gates = True

res = execute_ghz_fidelity(
    ghz_circuit=ghz_h,
    physical_qubits=best_qubits,
    backend=backend,
    sampler_options=opts,
)

job_s = service.job(res[0])  # Use your job id showed above.
job_e = service.job(res[1])
print(job_s.status(), job_e.status())

RUNNING RUNNING

# Check fidelity from job IDs
N = 40
res = check_ghz_fidelity_from_jobs(
    sampler_job=job_s,
    estimator_job=job_e,
    num_qubits=N,
)

N=40: |00..0>: 3186, |11..1>: 3277, |3rd>: 620 (1111111011111111111111111111111111111111)
P(|00..0>)=0.07965, P(|11..1>)=0.081925
REM: Coherence (non-diagonal): 0.029987
GHZ fidelity = 0.095781 ± 0.002619
GME (genuinely multipartite entangled) test: Failed

# It will take some time
result = job_s.result()
plot_histogram(result[0].data.c.get_counts(), figsize=(30, 5))

축하합니다! 유틸리티 규모 양자 컴퓨팅 입문 과정을 모두 완료했습니다! 이제 양자 우위(quantum advantage)를 향한 여정에서 의미 있는 기여를 할 준비가 되었습니다! IBM Quantum®을 여러분의 개인 양자 여정의 일부로 선택해 주셔서 감사합니다.

과정 수료 후 설문조사

이 과정을 완료하신 것을 축하합니다! 아래 간단한 설문조사를 통해 과정 개선에 도움을 주세요. 여러분의 의견은 콘텐츠 품질과 사용자 경험을 향상하는 데 활용됩니다. 감사합니다!