出典検証済みレベル 4

ランダム化ベンチマーキング

ランダム化ベンチマーキング（RB）は、量子ビットを|0⟩に戻すはずの、次第に長くなるランダムなゲート系列を実行し、生存確率の指数減衰をフィットすることで平均ゲート忠実度を測定します。

どういう意味か

ランダム化ベンチマーキング（RB）は、量子プロセッサがゲートをどれだけうまく実行できるかを採点する標準手順です。レシピ：① ランダムなゲート系列を生成する。② 古典コンピュータが系列の正味の効果を計算し、すべてを元に戻す逆ゲートを付加する — 完璧な装置なら常に|0⟩へ戻る。③ 現在の較正でコンパイルしてQPU上で実行する。④ 数百回の繰り返しで、装置が実際に|0⟩へ戻る割合である「生存確率」を測定する。⑤ 次第に長い系列で繰り返す。系列が長いほどエラーが蓄積するため、生存確率は P(m) = A·p^m + B に従って系列長に対して指数的に減衰します。その減衰率が平均ゲート忠実度（例：99.92%）を与え、AとBは状態準備・測定（SPAM）エラーを吸収します — ゲート品質を読み出し品質から分離できる重要な強みです。RBはランダム系列に対する平均です。CNOTのような特定のゲートを採点するには、Interleaved RBがランダムゲートの間にそのゲートを挟み、減衰率を比較します。

日常のたとえ

機械に、次第に長くなるランダムなダンスの振り付けを与えます。ただし各振り付けの最後には、正確に「すべてを元に戻す」動きを付けます。完璧なダンサーなら必ず開始位置（|0⟩）に戻ります — 機械が実際に何回戻れるかを数えましょう。振り付けが長いほどエラーが蓄積し、生存確率は指数的に減衰します — その減衰率こそが平均ゲートエラーです。
ベンチマーク（benchmark）は測量士の「ベンチマーク」に由来します — 石に刻んだ印で、他のすべての高さを測る固定基準でした。漢字語では基準点（기준점）、「基準となる標準の点」です。RBは量子スタックに固定基準を刻みます：あらゆる装置、あらゆる日を比較できる1つの数字です。

よくある誤解

  • RBはスタックで最も重いジョブです — 1回のRB実行が、トランスパイラ（次第に長くなる回路）、コンパイラ、パルススケジューラ、クライアント-サーバ間の転送、ジョブスケジューラ、制御エレクトロニクス、そしてQPUまで、すべてを同時にストレステストします。だから時間がかかるのです。
  • RBの数値はランダム系列に対する平均です — 特定のゲート1つの忠実度は与えません。それにはInterleaved RBが必要で、ランダムゲートの間に対象ゲートを挟んで減衰率を比較します。

要点

  • 手順：① ランダムなゲート系列 → ② 古典コンピュータが逆（「元に戻す」）ゲートを付加 → ③ 現在の較正でQPU上で実行 → ④ 数百回の繰り返しで生存確率を測定 → ⑤ 次第に長い系列長で繰り返す。
  • 生存確率は系列長に対して指数的に減衰し、その減衰率が平均ゲート忠実度（例：99.92%）を与えます。
  • フィット式 P(m) = A·p^m + B では、AとBが状態準備・測定（SPAM）エラーを吸収し、ゲートエラーを読み出しエラーから分離します。
  • 標準RBはゲート集合の平均を与え、特定ゲートの忠実度はInterleaved RBで測定します。

理解度チェック

ランダム化ベンチマーキングで、古典コンピュータはQPUで実行する前に各ランダムゲート系列に何を付加しますか？

  1. A.X基底での測定
  2. B.系列全体を元に戻す逆ゲート
  3. C.ランダムなゲートをもう1つ
  4. D.較正パルス
答えを見る

答え: B. 系列全体を元に戻す逆ゲート

理由: 逆ゲートを付加すると、完璧なハードウェアなら量子ビットは常に|0⟩へ戻ります — 戻れない度合いが、どのランダムゲートを選んだかに関係なく、蓄積されたゲートエラーを測定します。

RBのフィット式 P(m) = A·p^m + B における定数AとBの役割は何ですか？

  1. A.平均ゲート忠実度を決める
  2. B.状態準備・測定（SPAM）エラーを吸収する
  3. C.量子ビット数を数える
  4. D.系列長を固定する
答えを見る

答え: B. 状態準備・測定（SPAM）エラーを吸収する

理由: SPAMエラーは曲線を平行移動・スケールするだけで、減衰パラメータpは変えません — これがRBがゲートエラーを準備・読み出しエラーから分離できる理由です。

前提となる概念

ゲート忠実度

一次資料: Magesan, Gambetta & Emerson, Phys. Rev. Lett. 106, 180504 (2011), doi:10.1103/PhysRevLett.106.180504

RB protocol and exponential decay model per Magesan 2011; P(m)=A p^m + B with SPAM absorption is the standard form.

実践で学ぶ

この概念は46レベルのカリキュラムの一部です。インタラクティブなシミュレーターと、回答を表示前に検証するチューター Lumen と一緒に学べます。レベル1–5は無料です。

無料で始めるカリキュラムを見る