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Test VQE di IBM: i residui energetici superano le barre d’errore fino a 32 volte
Uno studio sulle valutazioni dell’energia molecolare effettuate sui processori quantistici Aachen e Pittsburgh di IBM ha rilevato che i residui VQE non mitigati per l’ossigeno e l’idruro di berillio hanno raggiunto valori da 12 a 32 volte s
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un divario di 32 volte su Pittsburgh
Un articolo pubblicato su arXiv il 28 ottobre riferisce che, nei test sui processori quantistici di IBM, le stime dell’incertezza statistica hanno sottostimato i residui misurati dell’energia molecolare fino a un fattore 32. Julen Larrucea ha confrontato i calcoli effettuati sui processori Heron da 156 qubit di IBM, Aachen e Pittsburgh, rilevando il divario maggiore per l’idruro di berillio su Pittsburgh: il residuo medio era di 685 millihartree, a fronte di un’incertezza media riportata di 21,64 millihartree.
«Una barra d’errore statistico più piccola non implica necessariamente un’energia molecolare più accurata», scrive Larrucea nell’articolo. Lo studio esamina una parte circoscritta ma importante di un risolutore quantistico variazionale agli autovalori (VQE): la misurazione dell’energia dopo l’ottimizzazione dei parametri, anziché l’esecuzione dell’ottimizzazione stessa sull’hardware quantistico. Julen Larrucea, «Execution bias, repeatability and mitigation cost in parameter-frozen molecular VQE energy evaluation»
Circuiti fissati per isolare l’esecuzione sull’hardware
Larrucea ha prima ottimizzato gli stati molecolari in assenza di rumore, poi ne ha fissato i parametri, i layout e i circuiti compilati per le esecuzioni sull’hardware. L’esperimento ha riguardato cinque molecole in una fase pilota e un gruppo di tre molecole sottoposto a misurazioni ripetute — idruro di litio, ossigeno e idruro di berillio — oltre a controlli su stati noti. In totale ha compreso 110 job e 28,2 minuti di tempo di elaborazione quantistica addebitato; il gruppo isolato è stato eseguito in tre finestre temporali nell’ambito di una campagna durata 31,7 ore.
I divari riportati, da 12 a 32 volte, si riferiscono alle misurazioni non mitigate da 1024 shot dell’ossigeno e dell’idruro di berillio. Per l’ossigeno, i residui medi erano di 119 millihartree su Aachen e 250 millihartree su Pittsburgh, a fronte di incertezze medie restituite rispettivamente di circa 10 e 13 millihartree. I risultati per l’idruro di berillio erano maggiori: 452 millihartree su Aachen e 685 millihartree su Pittsburgh. Questi residui misurano l’errore di esecuzione rispetto all’energia ideale di ciascuno stato fissato, non l’errore complessivo rispetto all’energia di una molecola reale.
Più shot non hanno eliminato la distorsione
I job ripetuti hanno mostrato perché la barra d’errore statistico di una singola esecuzione può fornire un quadro incompleto. Per l’idruro di berillio su Pittsburgh, la deviazione standard del campione di sei job ha raggiunto 120,4 millihartree, 5,6 volte l’incertezza media riportata. L’aumento del numero nominale di shot da 1024 a 4096 ha ridotto l’incertezza restituita, ma non ha eliminato in modo affidabile lo scostamento né la variazione tra i job.
Anche la mitigazione ha prodotto risultati contrastanti. L’estrapolazione a rumore zero ha ridotto il residuo assoluto dell’ossigeno del 49,7% su Aachen e dell’83,5% su Pittsburgh, a un costo addebitato circa quattro volte superiore a quello di un job non mitigato da 1024 shot. Su Pittsburgh, l’estinzione dell’errore di lettura con twirling ha ridotto il residuo dell’ossigeno di 80 millihartree per un importo addebitato equivalente a quello di un job non mitigato, rispetto ai 50 millihartree dell’estrapolazione a rumore zero; su Aachen, il confronto a parità di importo si è invertito. Per l’idruro di berillio, l’estinzione dell’errore di lettura con twirling ha leggermente aumentato il residuo medio su entrambi i processori.
Due processori, tre finestre temporali e limiti evidenti
L’articolo segnala anche un problema nel controllo dell’hardware: i test su stati noti del qubit 124 di Aachen hanno rilevato risposte di preparazione o di lettura da 5,4 a 5,6 volte superiori alla stima di calibrazione. Tredici stime dell’energia con mitigazione sono risultate al di fuori dello spettro dell’operatore mappato, mentre nessuna delle stime non mitigate lo era. Questi risultati sono indicativi delle condizioni di tali esecuzioni, non dimostrano che tutte le stime con mitigazione, o i processori IBM in generale, si comportino in questo modo.
L’autore descrive le analisi statistiche come esplorative. I dati provengono da due processori e tre finestre temporali; i gruppi sottoposti a mitigazione sono stati eseguiti in un ordine fisso, il che può confondere gli effetti dei trattamenti con i cambiamenti nel tempo. Sull’hardware non è stato eseguito alcun ciclo di ottimizzazione, lasciando fuori dal test l’interazione di feedback tra ottimizzatore e hardware. La raccomandazione di Larrucea è specifica per il problema misurato: verificare il comportamento del carico di lavoro e ripetere le misurazioni prima di impiegare ulteriore tempo della QPU per aumentare il numero di shot.