富士通、スーパーコンピュータ「富岳」のテクノロジーを活用し、36量子ビットの世界最速量子シミュレータの開発に成功

2022年03月30日 10時30分

Source: Fujitsu Ltd

量子コンピュータの実用化を見据えたアプリケーション開発を加速

東京, 2022年03月30日 - (JCN Newswire) - 当社は、このほど、スーパーコンピュータ「富岳」のCPU「A64FX」（注1）を搭載した「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700」（注2、以下「PRIMEHPC FX700」）で構成するクラスタシステム上で36量子ビットの量子回路を扱うことができる世界最高速の量子コンピュータシミュレータ（以下、量子シミュレータ）を開発しました。

本量子シミュレータは、量子シミュレータソフトウェア「Qulacs」（注3）を高速に並列分散実行可能にすることで、36量子ビットの量子演算において、他機関の主要な量子シミュレータ（注4）の約2倍の性能を実現しており、数十年先の実用化が見込まれる量子コンピュータのアプリケーションを先行開発することが可能となります。

これを受けて当社は、2022年4月1日より、富士フイルム株式会社（注5、以下富士フイルム）様と共同で、材料分野における量子コンピュータアプリケーション（以下、量子アプリケーション）の研究を開始します。

今後当社は、2022年9月までに40量子ビットのシミュレータを開発し、金融や創薬をはじめとする様々な分野のお客様と共同で量子アプリケーションの研究開発を進めるなど、量子コンピュータの実用化を見据えた取り組みを加速させていきます。

開発の背景

複雑化する社会課題の解決に向けて、古典コンピュータと比較して指数的な計算速度の向上が期待される量子コンピュータの開発が急がれる中、現状はハードウェアの計算におけるエラー率の高さやスケーラビリティに課題があり、実用的な量子コンピュータの実現は数十年先になるとも言われています。そこで、古典コンピュータ上で動作する量子シミュレータへの注目が集まっており、これにより、量子コンピュータ上で利用可能なアプリケーションの開発が加速すると期待されています。

開発した量子シミュレータについて

当社は、自社のスーパーコンピュータ「PRIMEHPC FX700」64ノードで構成したクラスタシステムで稼働する並列分散型の量子シミュレータを開発しました。「PRIMEHPC FX700」は、スーパーコンピュータ「富岳」のCPU「A64FX」を搭載しており、倍精度浮動小数点演算で理論ピーク性能3.072テラフロップス（以下、TFLOPS）の計算が可能です。また、毎秒1,024ギガバイト（以下、GB）の広帯域なバンド幅を持つメモリを32GB搭載するとともに、各ノード間を「InfiniBand（インフィニバンド）」（注6）で接続することで毎秒12.5GBの高速通信が可能です。

量子シミュレータソフトウェアには、国立大学法人大阪大学（注7）と株式会社QunaSys（注8）が開発した世界最高速レベルの「Qulacs」を採用し、「A64FX」へ移植する際にSVE（Scalable Vector Extension）命令（注9）を活用して複数の計算を同時に実行することで、メモリバンド幅の性能を最大化しました。また、MPI（Message Passing Interface）（注10）により、「Qulacs」を並列分散実行可能とし、計算と通信をオーバラップさせることでネットワーク帯域を最大限引き出すデータ転送を実現しました。さらに、クラスタ上の分散メモリに展開される量子ビットの状態情報を量子回路とその計算の進捗に合わせて適宜効率良く再配置する新たな方式を開発し、通信コストを削減しました。本方式は、「Qulacs」以外の量子シミュレータソフトウェアにも適用可能です。これにより、36量子ビットの量子シミュレータとして、他機関が開発した主要な量子シミュレータと比較し、約2倍の性能を達成し、世界最高速の処理速度を実現しました。

今回、本量子シミュレータを、量子コンピュータソフトウェア（以下、量子ソフトウェア）の主要な開発ツールの1つである「Qiskit」（注11）に対応させ、量子ソフトウェア開発者にとって利便性の高い開発環境も整えました。加えて、QunaSysとの提携（注12）により、今後、本量子シミュレータ上で同社が提供する量子化学計算ソフトウェア「Qamuy」（注13）を利用可能とすることで、多岐にわたる高速な量子化学計算の実現を目指します。

富士フイルム様との共同研究について

当社は、富士フイルム様と、革新的な材料設計手法の実現に向けて、計算化学領域における量子アプリケーションの共同研究を開始します。共同研究では、分子の化学反応計算などにおいて、本量子シミュレータを活用することで、量子コンピューティング特有のアルゴリズムの検討や評価を行います。

- 期間：2022年4月1日から2023年3月31日
- 目的：計算化学領域における量子コンピューティング技術の活用
- 研究内容：分子の化学反応などにおける量子コンピューティング特有のアルゴリズムの検討と評価
- 役割分担：
[富士通] 量子シミュレータの提供、計算結果の考察と改善手法の検討
[富士フイルム様] 量子化学計算の実施、計算結果の考察と改善手法の検討

今後の展望

当社は、より大規模かつ高速な量子シミュレータの実現に向けて、複数の量子ゲートの演算をまとめて実行するゲートフュージョン技術などの強化を図り、2022年9月までに40 量子ビットの量子シミュレータを開発し、金融や創薬などの分野へ展開していきます。さらに、量子シミュレータを活用して開発した量子アプリケーションの知見を、将来的に量子コンピュータへ応用し、量子コンピューティング技術を活用した社会課題解決の早期実現を目指します。

国立大学法人大阪大学様基礎工学研究科教授藤井啓祐氏のコメント
量子コンピュータの性能を引き出す量子ソフトウェアや量子アプリケーションの開発において、スーパーコンピュータを用いた高速シミュレータはますます重要になってきています。今回、オープンソースソフトウェアとして世界中で利用されている「Qulacs」とスーパーコンピュータ「富岳」の技術を融合し開発された世界最高速のシミュレータが、未来を見据えた量子ソフトウェア開発を大きく加速させると期待しています。

富士フイルム株式会社様解析技術センター主席研究員奥野幸洋氏のコメント
量子コンピュータは、計算化学分野において、これまでのコンピュータには不可能であった高精度な計算を実行できるポテンシャルをもっています。富士フイルムは、材料開発に量子コンピュータを活用するためのフィジビリティスタディの一環として本共同研究を進めていきます。

富士通株式会社執行役員専務CTO ヴィヴェック・マハジャンのコメント
当社は、スーパーコンピュータ「富岳」の開発などを通じて培ってきたコンピューティング技術の適用により、世界最速の量子シミュレータの開発に成功しました。今後は、お客様に本量子シミュレータを活用いただくことで、量子アプリケーションの開拓を加速させ、様々な課題の解決により持続可能な世界に貢献していくことを目指します。

本リリースの詳細は下記をご参照ください。
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2022/03/30.html

概要：富士通株式会社

詳細は http://jp.fujitsu.com/ をご覧ください。

Source: Fujitsu Ltd
セクター: エレクトロニクス, IT