Auxiliar de aprendizado de ruído

Versões dos pacotes

O código desta página foi desenvolvido usando os seguintes requisitos. Recomendamos usar estas versões ou versões mais recentes.

qiskit[all]~=2.3.0
qiskit-ibm-runtime~=0.43.1

As técnicas de mitigação de erros PEA e PEC utilizam um componente de aprendizado de ruído baseado em um modelo de ruído de Pauli-Lindblad, que normalmente é gerenciado durante a execução após o envio de um ou mais jobs pelo qiskit-ibm-runtime, sem acesso local ao modelo de ruído ajustado. No entanto, a partir da versão 0.27.1 do qiskit-ibm-runtime, foram criadas as classes NoiseLearner e NoiseLearnerOptions para obter os resultados desses experimentos de aprendizado de ruído. Esses resultados podem ser armazenados localmente como um NoiseLearnerResult e usados como entrada em experimentos posteriores. Esta página fornece uma visão geral do uso e das opções disponíveis.

Visão geral

A classe NoiseLearner realiza experimentos que caracterizam processos de ruído com base em um modelo de ruído de Pauli-Lindblad para um (ou mais) circuits. Ela possui um método run() que executa os experimentos de aprendizado e recebe como entrada uma lista de circuits ou um PUB, retornando um NoiseLearnerResult contendo os canais de ruído aprendidos e metadados sobre os jobs enviados. Abaixo está um trecho de código demonstrando o uso do programa auxiliar.

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

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.transpiler import CouplingMap
from qiskit.transpiler import generate_preset_pass_manager

from qiskit_ibm_runtime import QiskitRuntimeService, EstimatorV2
from qiskit_ibm_runtime.noise_learner import NoiseLearner
from qiskit_ibm_runtime.options import (
    NoiseLearnerOptions,
    ResilienceOptionsV2,
    EstimatorOptions,
)

# Build a circuit with two entangling layers
num_qubits = 27
edges = list(CouplingMap.from_line(num_qubits, bidirectional=False))
even_edges = edges[::2]
odd_edges = edges[1::2]

circuit = QuantumCircuit(num_qubits)
for pair in even_edges:
    circuit.cx(pair[0], pair[1])
for pair in odd_edges:
    circuit.cx(pair[0], pair[1])

# Choose a backend to run on
service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy()

# Transpile the circuit for execution
pm = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=3)
circuit_to_learn = pm.run(circuit)

# Instantiate a NoiseLearner object and execute the noise learning program
learner = NoiseLearner(mode=backend)
job = learner.run([circuit_to_learn])
noise_model = job.result()

O NoiseLearnerResult.data resultante é uma lista de objetos LayerError contendo o modelo de ruído para cada camada de entrelaçamento individual que pertence ao(s) circuit(s) alvo. Cada LayerError armazena as informações da camada, na forma de um circuit e um conjunto de rótulos de Qubits, juntamente com o PauliLindbladError para o modelo de ruído aprendido para a camada em questão.

print(
    f"Noise learner result contains {len(noise_model.data)} entries"
    f" and has the following type:\n {type(noise_model)}\n"
)
print(
    f"Each element of `NoiseLearnerResult` then contains"
    f" an object of type:\n {type(noise_model.data[0])}\n"
)
print(
    f"And each of these `LayerError` objects possess"
    f" data on the generators for the error channel: \n{noise_model.data[0].error.generators}\n"
)
print(f"Along with the error rates: \n{noise_model.data[0].error.rates}\n")

Noise learner result contains 2 entries and has the following type:
 <class 'qiskit_ibm_runtime.utils.noise_learner_result.NoiseLearnerResult'>

Each element of `NoiseLearnerResult` then contains an object of type:
 <class 'qiskit_ibm_runtime.utils.noise_learner_result.LayerError'>

And each of these `LayerError` objects possess data on the generators for the error channel:
['IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIY',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXY',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYY',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZX', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZY',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZ', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXYI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZXI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZYI',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZI', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXYII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZXII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZYII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXYIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZXIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZYIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXYIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZXIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZYIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZZIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIYIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIZIIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXXIIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXYIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIXZIIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIYIIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIYXIIIIII',
 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIYYIIIIII', 'IIIIIIIIIIIIIIIIIIIYZIIIIII', ...]

Along with the error rates:
[8.80e-04 6.50e-04 3.10e-04 5.60e-04 0.00e+00 0.00e+00 0.00e+00 3.00e-04
 6.00e-05 1.30e-04 7.00e-05 3.90e-04 0.00e+00 0.00e+00 3.00e-05 3.70e-04
 0.00e+00 5.00e-05 7.50e-04 5.50e-04 5.00e-05 0.00e+00 7.60e-04 5.00e-04
 5.60e-04 5.60e-04 2.50e-04 5.00e-05 7.00e-05 2.00e-04 1.40e-04 8.00e-05
 2.80e-04 0.00e+00 1.70e-04 4.20e-04 3.00e-05 1.00e-05 1.30e-04 4.40e-04
 1.00e-04 2.60e-04 7.10e-04 1.10e-04 2.60e-04 1.00e-04 6.80e-04 1.02e-03
 4.60e-04 5.30e-04 3.00e-04 0.00e+00 0.00e+00 3.40e-04 0.00e+00 0.00e+00
 2.70e-04 0.00e+00 5.00e-05 6.70e-04 0.00e+00 2.20e-04 0.00e+00 4.40e-04
 4.30e-04 8.30e-04 1.42e-03 0.00e+00 0.00e+00 1.44e-03 8.70e-04 0.00e+00
 0.00e+00 1.05e-03 6.80e-04 5.90e-04 5.10e-04 3.10e-04 5.60e-04 0.00e+00
 4.00e-05 0.00e+00 5.50e-04 1.00e-05 2.00e-05 0.00e+00 1.10e-04 0.00e+00
 1.20e-04 0.00e+00 2.20e-04 7.00e-05 4.00e-05 3.80e-04 2.80e-04 4.00e-05
 7.00e-05 3.00e-04 1.20e-04 6.00e-04 5.80e-04 1.80e-04 5.00e-04 1.20e-04
 2.00e-05 2.00e-05 4.80e-04 2.00e-05 0.00e+00 1.40e-04 4.00e-04 3.00e-05
 0.00e+00 0.00e+00 4.40e-04 1.10e-04 5.00e-05 6.00e-04 2.30e-04 5.00e-05
 1.10e-04 5.30e-04 3.60e-04 6.80e-04 6.70e-04 2.80e-04 4.90e-04 1.30e-04
 6.00e-05 7.20e-04 3.00e-05 9.00e-05 1.10e-04 3.30e-04 6.00e-05 1.30e-04
 7.60e-04 1.30e-04 1.50e-04 1.30e-04 0.00e+00 3.10e-04 2.50e-04 5.10e-04
 0.00e+00 6.00e-05 2.50e-04 2.40e-04 8.00e-05 0.00e+00 0.00e+00 2.70e-04
 0.00e+00 8.00e-05 0.00e+00 7.80e-04 7.00e-05 0.00e+00 0.00e+00 2.50e-04
 1.70e-04 2.00e-05 4.50e-04 3.10e-04 2.00e-05 1.70e-04 4.60e-04 1.30e-04
 3.20e-04 3.50e-04 3.80e-04 2.70e-04 2.00e-04 8.00e-05 1.00e-05 4.10e-04
 0.00e+00 0.00e+00 0.00e+00 2.36e-03 0.00e+00 7.00e-05 1.20e-04 9.40e-04
 0.00e+00 1.90e-04 1.38e-03 7.50e-04 1.90e-04 0.00e+00 1.14e-03 7.30e-04
 5.70e-04 4.20e-04 6.20e-04 0.00e+00 2.20e-04 5.00e-05 1.20e-04 0.00e+00
 0.00e+00 1.90e-04 6.00e-05 1.10e-04 2.10e-04 1.50e-04 1.20e-04 2.90e-04
 4.60e-04 2.10e-04 4.00e-05 3.00e-05 1.70e-04 3.10e-04 1.00e-04 1.70e-04
 3.00e-05 3.90e-04 0.00e+00 6.00e-04 5.60e-04 1.40e-04 3.50e-04 1.00e-04
 1.20e-04 9.00e-05 3.20e-04 2.00e-05 1.70e-04 3.00e-05 4.00e-04 1.50e-04
 0.00e+00 1.60e-04 1.90e-04 9.00e-05 6.00e-05 4.50e-04 3.10e-04 6.00e-05
 9.00e-05 3.70e-04 2.80e-04 6.50e-04 5.30e-04 3.30e-04 8.00e-05 8.00e-05
 5.00e-05 2.50e-04 3.50e-04 4.00e-05 0.00e+00 0.00e+00 1.70e-04 1.30e-04
 0.00e+00 0.00e+00 7.00e-05 1.70e-04 1.00e-05 4.20e-04 2.00e-04 1.00e-05
 1.70e-04 4.80e-04 1.40e-03 4.70e-04 4.00e-04 3.90e-04 4.40e-04 2.00e-04
 1.90e-04 7.20e-04 1.80e-04 1.00e-04 0.00e+00 5.70e-04 1.90e-04 2.00e-04
 8.70e-04 1.20e-04 1.70e-04 0.00e+00 0.00e+00 3.80e-04 2.40e-04 4.80e-04
 6.00e-05 0.00e+00 9.00e-05 6.50e-04 2.00e-05 8.00e-05 1.40e-04 5.80e-04
 1.30e-04 0.00e+00 2.00e-05 1.00e-05 1.60e-04 1.00e-05 1.80e-04 4.40e-04
 8.00e-05 1.40e-04 4.40e-04 3.90e-04 1.40e-04 8.00e-05 3.90e-04 4.10e-04
 8.80e-04 7.30e-04 1.90e-04]

O atributo LayerError.error do resultado do aprendizado de ruído contém os geradores e as taxas de erro do modelo de Pauli Lindblad ajustado, que tem a forma

$\Lambda(\rho) = \exp{\sum_j r_j \left(P_j \rho P_j^\dagger - \rho\right)},$

onde os $r_j$ são os LayerError.rates e $P_j$ são os operadores de Pauli especificados em LayerError.generators.

Opções de aprendizado de ruído

Você pode escolher entre várias opções ao instanciar um objeto NoiseLearner. Essas opções são encapsuladas pela classe qiskit_ibm_runtime.options.NoiseLearnerOptions e incluem a possibilidade de especificar o número máximo de camadas a aprender, o número de randomizações e a estratégia de twirling, entre outras. Consulte a documentação da API sobre NoiseLearnerOptions para informações mais detalhadas.

Abaixo está um exemplo simples mostrando como usar o NoiseLearnerOptions em um experimento com NoiseLearner:

# Build a GHZ circuit
circuit = QuantumCircuit(10)
circuit.h(0)
circuit.cx(range(0, 9), range(1, 10))
# Choose a backend to run on
service = QiskitRuntimeService()
backend = service.least_busy()

# Transpile the circuit for execution
pm = generate_preset_pass_manager(backend=backend, optimization_level=3)
circuit_to_run = pm.run(circuit_to_learn)

# Instantiate a noise learner options object
learner_options = NoiseLearnerOptions(
    max_layers_to_learn=3, num_randomizations=32, twirling_strategy="all"
)

# Instantiate a NoiseLearner object and execute the noise learning program
learner = NoiseLearner(mode=backend, options=learner_options)
job = learner.run([circuit_to_run])
noise_model = job.result()

Inserir modelo de ruído em uma primitiva

O modelo de ruído aprendido para o circuit também pode ser usado como entrada para a primitiva EstimatorV2 implementada no Qiskit IBM Runtime. Ele pode ser passado para a primitiva de algumas formas diferentes. Os três próximos exemplos mostram como você pode passar o modelo de ruído para o atributo estimator.options diretamente, por meio de um objeto ResilienceOptionsV2 antes de instanciar uma primitiva Estimator, e passando um dicionário formatado adequadamente.

# pass the noise model to the `estimator.options` attribute directly
estimator = EstimatorV2(mode=backend)
estimator.options.resilience.layer_noise_model = noise_model

# Specify options via a ResilienceOptionsV2 object
resilience_options = ResilienceOptionsV2(layer_noise_model=noise_model)
estimator_options = EstimatorOptions(resilience=resilience_options)
estimator = EstimatorV2(mode=backend, options=estimator_options)

# Specify options via a dictionary
options_dict = {
    "resilience_level": 2,
    "resilience": {"layer_noise_model": noise_model},
}

estimator = EstimatorV2(mode=backend, options=options_dict)

Depois que o modelo de ruído for passado para o objeto EstimatorV2, ele pode ser usado para executar cargas de trabalho e realizar a mitigação de erros normalmente.

Próximos passos

Recomendações

Leia mais sobre como configurar a mitigação de erros.
Consulte a referência da API EstimatorOptions e a referência da API ResilienceOptionsV2.
Saiba mais sobre as técnicas de mitigação e supressão de erros disponíveis no Qiskit Runtime.
Veja como especificar opções para as primitivas do Qiskit Runtime.
Leia Migrar para primitivas V2.

Visão geral​

Opções de aprendizado de ruído​

Inserir modelo de ruído em uma primitiva​

Próximos passos​

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Inserir modelo de ruído em uma primitiva

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