[논문 리뷰] Towards an open-source framework to perform quantum calibration and characterization

Andrea Pasquale, Stavros Efthymiou외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 18.

Parallel Computing and Optimization Techniques인용 수 5

한 줄 요약

Qibocal은 초전도 큐비트 프로세서(QPUs)의 엔드 투 엔드 캘리브레이션 및 특성 분석을 위한 오픈소스이자 파이썬 기반의 프레임워크로, Qibo 생태계 내에 통합되어 있다. 이는 하드웨어에 종속되지 않고 모듈식 캘리브레이션을 가능하게 하며, 런카드를 통해 지원하고, 라이브 플롯팅과 자동 보고서 생성을 제공하며, 랜덤라이즈드 레퍼런싱 및 토모그래피를 포함한 비상호작용 게이트세트 특성 분석 도구를 제공한다. 5 큐비트 플럭스 조정 가능한 트랜몬 칩에 적용된 사례를 통해 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

In this proceedings we present Qibocal, an open-source software package for calibration and characterization of quantum processing units (QPUs) based on the Qibo framework. Qibocal is specifically designed for self-hosted QPUs and provides the groundwork to easily develop, deploy and distribute characterization and calibration routines for all levels of hardware abstraction. Qibocal is based on a modular QPU platform agnostic approach and it provides a general purpose toolkit for superconducting qubits with the possibility of extensions to other quantum technologies. After motivating the need for such a module, we explain the program's flow and show examples of actual use for QPU calibration. We also showcase additional features provided by the library including automatic report generation and live plotting.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 제공업체의 지원이 없는 상황에서 자체 호스팅하는 양자 프로세서를 캘리브레이션하고 특성 분석하기 위한 강력한 오픈소스 도구의 필요성을 해결하기 위해.
• 개발, 배포, 배포 계층의 다양한 하드웨어 추상화 계층에서 작동하는 모듈식이고 플랫폼에 종속되지 않은 프레임워크를 제공하기 위해.
• NISQ 시대의 양자 장치를 위한 실험 연구자가 빠르게 캘리브레이션 및 특성 분석 프rotocol을 개발하고 배포하며 공유할 수 있도록 하기 위해.
• 표준화되고 기계 및 인간이 읽을 수 있는 보고서를 통해 하드웨어 성능과 캘리브레이션 프로토콜 간의 종합적인 비교 연구를 지원하기 위해.

제안 방법

• Qibocal은 Qibo 양자 회로 시뮬레이션 프레임워크 기반으로 구축되었으며, 저수준 펄스 제어 및 하드웨어 실행을 위한 Qibolab와 통합되어 있다.
• 프레임워크는 '런카드'—필수 파rameter만 포함한 구성 파일—를 사용하여 다양한 추상화 수준에서 캘리브레이션 절차를 정의하고 실행한다.
• 프레임워크는 `qq-live` 명령어를 통해 실시간 데이터 및 피팅된 파라미터의 시각화를 가능하게 하는 라이브 플로팅을 지원한다.
• 비상호작용 게이트세트 특성 분석을 위한 API를 구현하였으며, 랜덤라이즈드 레퍼런싱 및 토모그래피를 포함하고, 표준 및 필터링된 변형 모두를 지원한다.
• 결과는 `qq-upload` 및 `qq-compare` 명령어를 사용하여 자동으로 수집되고 인간과 기계가 읽을 수 있는 보고서 형식으로 정렬된다.
• 확장성에 유리한 아키텍처를 설계하여 향후 캘리브레이션 루틴과 다중 큐비트 게이트, 교차 간섭 특성 분석을 위한 지원이 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 추상화 수준에서 자체 호스팅 초전도 QPU의 캘리브레이션 및 특성 분석을 지원하는 오픈소스이고 모듈식인 프레임워크를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 런카드는 다양한 하드웨어 환경에서 이식 가능하고 재현 가능하며 조합 가능한 캘리브레이션 파이프라인을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 실시간 데이터 시각화와 자동 보고서 생성은 양자 장치 캘리브레이션의 효율성과 신뢰성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 Qibocal은 통합적이고 확장 가능한 API를 통해 랜덤라이즈드 레퍼런싱 및 상태 토모그래피와 같은 고급 특성 분석 프로토콜을 어느 정도 지원할 수 있는가?
• RQ5 보고서의 버전 관리 및 비교 도구를 통해, Qibocal은 시간이 지남에 따라 캘리브레이션 프로토콜과 하드웨어 성능을 비교 분석하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• Qibocal은 최대 5개의 플럭스 조정 가능한 트랜몬 큐비트를 가진 초전도 큐비트 칩의 캘리브레이션에 성공적으로 적용되어 실제 응용 가능성을 입증하였다.
• Qibo 및 Qibolab와의 통합을 통해 고성능 시뮬레이션과 실제 하드웨어 실행 간의 원활한 전환을 가능하게 하였다.
• 라이브 플로팅 및 라이브 피팅 기능은 캘리브레이션 중 실시간 모니터링과 조정이 가능하게 하여, 특히 넓은 범위의 파라미터 스캔에 유용하였다.
• 자동 보고서 생성 기능은 실험 메타데이터, 종속성 라이브러리 버전, 모든 실행된 루틴의 시각화를 포함한 종합적이고 표준화된 출력을 생성하였다.
• `qq-compare` 도구는 여러 캘리브레이션 보고서를 결합하고 분석하여 시간에 따른 파라미터 드리프트를 효과적으로 추적할 수 있도록 하였다.
• 비상호작용 게이트세트 특성 분석을 지원하며, 표준 및 필터링된 랜덤라이즈드 레퍼런싱을 포함한 유연한 API를 통해 향후 확장이 가능하도록 하였다.