36量子ビットの世界最速量子シミュレータを開発――スーパーコンピュータ「富岳」の技術を活用　富士通

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FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700

富士通は2022年3月30日、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）を開発したと発表した。富岳のCPU「A64FX」を搭載した「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700（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える。

量子シミュレータは、量子シミュレータソフトウェア「Qulacs」を高速に並列分散実行できるため、他機関の主要な量子シミュレータと比べ、36量子ビットの量子演算で約2倍の性能を持つ。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できるという。

開発品は、PRIMEHPC FX700の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で、PRIMEHPC FX700は富岳のCPUであるA64FXを搭載している。

PRIMEHPC FX700は、倍精度浮動小数点演算で理論ピーク性能3.072TFLOPSの計算ができ、毎秒1024GBの広帯域なバンド幅を持つメモリを32GB搭載。各ノード間を「InfiniBand（インフィニバンド）」で接続し、毎秒12.5GBの高速通信に対応する。

量子シミュレータソフトウェアには、大阪大学とQunaSysが開発した世界最高速レベルのQulacsを採用。A64FXへ移植する際に、SVE（Scalable Vector Extension）命令を活用し、メモリバンド幅の性能を、同時に複数の計算を実行することで最大化している。

また、MPI（Message Passing Interface）により、Qulacsを並列分散実行でき、計算と通信のオーバラップにより、データ転送でネットワーク帯域を最大限引き出している。

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、効率良く再配置する新方式を開発。通信コストを削減している。この方式は、Qulacs以外の量子シミュレータソフトウェアへの適用にも対応する。

今回、量子コンピュータソフトウェア（量子ソフトウェア）の主要な開発ツールの1つ「Qiskit」に、開発した量子シミュレータを対応させており、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を整えている。また、QunaSysと提携して、量子化学計算ソフトウェア「Qamuy」を量子シミュレータ上で利用できるようにし、高速な量子化学計算の実現を目指す。

同社はこれらを受け、富士フイルムと共同で2022年4月1日から2023年3月31日まで、材料分野の量子コンピュータアプリケーション（量子アプリケーション）の研究を開始。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実施する。

同社は今後、より大規模で高速な量子シミュレータの実現に向け、40量子ビットの量子シミュレータを2022年9月までに開発し、金融や創薬などの分野へ展開していく。さらに、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す。

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