ユーティリティスケール実験 III

備考

Toshinari Itoko, Tamiya Onodera, Kifumi Numata（2024年7月19日）

元の講義のPDFをダウンロードできます。コードスニペットは静的な画像であるため、一部が非推奨になっている可能性があります。

この最初の実験の実行に必要なQPU時間は約12分30秒です。さらに約4分を要する追加実験もあります。

（注意：このノートブックは、オープンプランで許可された時間内に評価が完了しない場合があります。量子コンピューティングリソースを賢く活用してください。）

# 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. はじめに

GHZ状態について簡単に振り返り、SamplerをGHZ状態に適用したときに期待される分布を確認しましょう。その後、このレッスンの目標を明確に説明します。

1.1 GHZ状態

$n$量子ビットのGHZ状態（Greenberger-Horne-Zeilinger状態）は次のように定義されます。

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

当然ながら、6量子ビットの場合は次の量子回路で作成できます。

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

深さはそれほど大きくありませんが、前のレッスンで学んだように、さらに改善できることはわかっています。Backend を選んで、この回路をトランスパイルしてみましょう。

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

トランスパイル後の2量子ビットの深さもそれほど大きくありません。しかし、より多くの量子ビットでGHZ状態を扱うためには、回路の最適化について検討する必要があります。Samplerを使ってこれを実行し、実際の量子コンピューターがどのような結果を返すか確認してみましょう。

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))

これは6量子ビットGHZ回路の結果です。ご覧のとおり、すべての$|0\rangle$とすべての$|1\rangle$の状態が支配的ではありますが、誤りが相当程度含まれています。Eagleデバイスで、正しい状態が少なくとも50%以上の確率で得られる範囲で、どれだけ大きなGHZ回路を作れるか試してみましょう。

1.2 目標

20量子ビット以上のGHZ回路を構築し、測定時にGHZ状態の忠実度 > 0.5となるようにしてください。 注意事項：

• Eagleデバイス（min_num_qubits=127）を使用し、ショット数を40,000に設定する必要があります。
• GHZ回路はexecute_ghz_fidelity関数を使って実行し、忠実度はcheck_ghz_fidelity_from_jobs関数を使って計算してください。

これはこのコースで学んだ内容を活用する独立した演習として設計されています。

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()],
    }

このノートブックでは、16量子ビットと30量子ビットを使用して良質なGHZ状態を作成するための3つの戦略を適用します。これらのアプローチは、前のレッスンですでに学んだ戦略を基にしています。

2. 戦略1：ノイズを考慮した量子ビット選択

まず Backend を指定します。特定の Backend のプロパティを詳しく扱うため、least_busyオプションを使うのではなく、特定の Backend を指定することをお勧めします。

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

これから多数の2量子ビットゲートを含む回路を構築します。それらの2量子ビットゲートの実装において最も誤り率が低い量子ビットを使用することが合理的です。報告されている2量子ビットゲート誤り率に基づいて最適な「量子ビット連鎖」を見つけることは、自明ではない問題です。しかし、使用する最適な量子ビットを決定するためのいくつかの関数を定義できます。

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

上記の関数を使用して、グラフ内のすべてのノードペア間にある$N$量子ビットのすべての単純パスを見つけます（参考：all_pairs_all_simple_paths）。

次に、上で作成したpath_fidelity関数を用いて、パス忠実度が最大となる最適な量子ビット連鎖を見つけます。

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)

カップリングマップの図で、ピンク色で示されている最良の量子ビット連鎖をプロットしてみましょう。

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 最良のQubitチェーン上にGHZ Circuit を構築する

チェーンの中央にあるQubitを選び、まずそこにH Gateを適用します。こうすることで、Circuitの深さを約半分に削減できます。

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

上記のジョブのステータスが「DONE」になってから次のセルを実行し、check_ghz_fidelity_from_jobs 関数で結果を確認してください。

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))

この結果は基準を満たしていません。次のアイデアに進みましょう。

3. 戦略2：Qubitのバランス木

次のアイデアは、Qubitのバランス木を見つけることです。チェーンではなく木構造を使うことで、Circuitの深さをより小さくできるはずです。その前に、結合グラフから「不良」な読み出しエラーを持つノードと「不良」なGateエラーを持つエッジを除去します。

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)

不良エッジと不良Qubitを除いた結合マップグラフを描画してみましょう。

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),
)

先ほどと同様に、16-Qubit GHZ状態の作成を試みます。

N = 16

betweenness_centrality 関数を呼び出して、根ノードとなるQubitを見つけます。媒介中心性（betweenness centrality）の値が最も高いノードが、グラフの中心に位置します。参考：https://www.rustworkx.org/tutorial/betweenness_centrality.html

または、手動で選択することもできます。

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

66

根ノードから出発し、幅優先探索（BFS）によって木を生成します。参考：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]

選択されたQubitをピンク色で、結合マップ図上に表示してみましょう。

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),
)

Qubitの木構造を表示してみましょう。

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

Circuitの深さが、チェーン構造のときと比べて大幅に小さくなりました。

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

バランス木構造を用いることで、基準を見事に満たすことができました！

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

今度は、より大きなGHZ状態——30-Qubit GHZ状態——の作成に挑戦してみましょう。

3.1 N = 30

Qiskitパターンフレームワークに従って進めます。

• ステップ1：問題を量子回路と演算子にマッピングする
• ステップ2：ターゲットハードウェア向けに最適化する
• ステップ3：ターゲットハードウェアで実行する
• ステップ4：結果を後処理する

ステップ1：問題を量子回路と演算子にマッピングし、ステップ2：ターゲットハードウェア向けに最適化する

ここでは、ルートノードを手動で選択します。

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")

このツリーの深さは5です。

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 別のルートノードを手動で選択する

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")

このツリーの深さは6です。

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

驚くことに、ツリーの深さが5から6に増加したにもかかわらず、2量子ビット深さは9から8へと減少しました！そのため、後者の回路を使用します。

ステップ3：ターゲットハードウェアで実行する

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

ステップ4：結果を後処理する

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

ご覧の通り、この結果は基準を満たしていません。

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

4. 戦略3：エラー抑制オプションを使って実行する

Sampler V2でエラー抑制オプションを設定できます。詳細については、エラー緩和の設定ガイドおよび ExecutionOptionsV2 APIリファレンスをご参照ください。

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))

結果は改善されましたが、まだ基準を満たしていません。

これまでに3つのアイデアを見てきました。これらのアイデアを組み合わせたり発展させたり、あるいは独自のアイデアを考案して、より優れたGHZ回路を作成することができます。ここで、目標を改めて確認しましょう。

5. あなたの目標（まとめ）

20量子ビット以上のGHZ回路を構築し、測定結果が次の基準を満たすようにしてください：GHZ状態のフィデリティが0.5より大きいこと。

• Eagleデバイス（ibm_brisbane など）を使用し、ショット数を40,000に設定する必要があります。
• execute_ghz_fidelity 関数を使用してGHZ回路を実行し、check_ghz_fidelity_from_jobs 関数を使用してフィデリティを計算する必要があります。

基準を満たす最大量子ビット数のGHZ回路を見つけてください。以下にコードを記述し、check_ghz_fidelity_from_jobs 関数を使って結果を表示してください。

---

ここでは、前の資料と同じGHZワークフローをHeronデバイスで実装します。これにより、Heronプロセッサのレイアウトと機能を体験できます。新しい戦略は導入されません。

この次の実験を実行するためのおよそのQPU時間は4分40秒です。

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))

おめでとうございます！ユーティリティスケール量子コンピューティング入門を修了しました！量子アドバンテージの追求において、意義ある貢献をする準備が整いました！IBM Quantum® をあなたの個人的な量子の旅の一部としていただき、ありがとうございます。

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