Screening ottimale nell’uso delle risorse per la caratterizzazione dei sistemi quantistici in due fasi

Abstract degli autori

Le unità di elaborazione quantistica (QPU) richiedono benchmark frequenti per monitorare la deriva dell’hardware, ma i protocolli standard, come il randomized benchmarking, richiedono molte risorse e competono con i carichi di lavoro applicativi per il tempo limitato delle QPU. Presentiamo una strategia di screening ottimale nell’uso delle risorse che combina un’architettura di test a due livelli basata sul rischio con la progettazione ottimale degli esperimenti: un test preliminare leggero viene eseguito regolarmente e attiva una caratterizzazione completa, più costosa, solo quando rileva una variazione statisticamente significativa. Il test preliminare è a sua volta progettato per massimizzare la sensibilità di rilevamento entro vincoli espliciti sulle risorse. Per un modello esponenziale della fedeltà, ricaviamo formule esplicite per le dimensioni ottimali dei circuiti e introduciamo un numero effettivo di gate che rende l’analisi indipendente dall’hardware. Applichiamo la strategia a due casi. Per la verifica della qualità dei gate, mostriamo che test preliminari progettati in modo ottimale superano il randomized benchmarking con progettazione ottimale degli esperimenti (OED) di oltre 4$\times$ nel tasso di rilevamento, a parità di risorse impiegate. Per il benchmarking dei compilatori, formalizziamo il confronto tra compilatori come un test di ipotesi per dati appaiati e ricaviamo la dimensione ottimale del circuito per distinguere le strategie di compilazione. Nonostante le differenze nelle grandezze osservate e nelle statistiche dei test, entrambe le applicazioni producono una formula esplicita strutturalmente identica per la dimensione ottimale del circuito usato nel test preliminare in funzione della fedeltà dei gate, a dimostrazione della generalità del quadro teorico. Esperimenti numerici e sull’hardware delle QPU (Rigetti Ankaa-3, IQM Garnet, IQM Emerald) confermano le previsioni teoriche: le dimensioni ottimali dei circuiti osservate corrispondono ai valori ricavati su tutti i dispositivi.