[市場動向]

2022年3月30日(水)日川 佳三（IT Leaders編集部）

リスト

　富士通は、現在の量子シミュレータとしては大規模な、36量子ビットの量子シミュレータを構築した。スーパーコンピュータ「富岳」の技術を活用した商用の「PRIMEHPC FX700」×64ノードで構成したクラスタシステム上で、オープンソースの量子シミュレータソフトウェア「Qulacs」（大阪大学が開発）を並列分散型で実行させる。「（インテルやIBMなど）他機関の主要な量子シミュレータの約2倍の性能を実現した」（富士通）としている（図1）。

図1：スパコン64ノードを用いて、量子シミュレータとしては大規模となる36量子ビットの量子シミュレータを構築した（出典：富士通）
拡大画像表示

　構築した量子シミュレータを使って、2022年4月1日から2023年3月31日まで、富士フイルムと共同で、材料分野における量子コンピュータアプリケーションの研究を開始する。また、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くとしている。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は、将来的に量子コンピュータの実機に応用する。

量子シミュレータの量子ビットを増やす取り組み

　量子シミュレータは、量子コンピュータではない現在の汎用計算機のアーキテクチャ上で、ソフトウェアで量子ビットをシミュレーションするコンピュータシステムのこと。今回、富士通はこれまでよりも大規模な問題を解けるように、量子シミュレータの量子ビットを増やすことに取り組んだ。背景として、「より大規模な量子アプリケーションを解くためには、現在では量子シミュレータの量子ビットを増やす仕組みが必要である」ことを挙げている。

　現在では、100量子ビットクラスの量子コンピュータの実機も実現され始めたが、これらは誤り訂正機能がないNISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）デバイスであり、ノイズ（誤り）の影響を受けてしまう。「誤り耐性を備えた量子コンピュータの実現には100万量子ビットが必要」（富士通）なため、現時点では量子シミュレータが量子アプリケーションの研究に使われているという。

　一方、量子シミュレータにも課題がある。量子ビットを1増やすと、必要なメモリーと計算時間が指数関数的に増える（図2）。「10ビットを20ビットに、10ビット分増やすと、メモリーは2の10乗で1024倍が必要。通常のシステムでは30量子ビット程度が限界であり、今回、スーパーコンピュータを使って36量子ビットまで増やすことができた」（富士通）。

図2：量子シミュレータの課題。量子ビットを1増やすと、必要なメモリーと計算時間が指数関数的に増える（出典：富士通）
拡大画像表示

スパコンを用いて並列分散型で実行

　36ビットの量子シミュレータの実現にあたって富士通は、量子シミュレータソフトウェアのQulacsに手を加え、並列分散型で動作するようにした。

　工夫したことの1つは、量子計算に合わせたデータの再配置技術である。量子計算の実行順序に合わせて並列計算機上のデータを再配置し、通信時間を削減する。数ある選択肢の中から、量子ゲート操作の際の通信コストを最小化する配置を選択する（図3）。

図3：高速化のための主要技術として、量子計算に合わせたデータ再配置技術を開発した。量子ゲート操作の際の通信コストを最小化するようにデータをノードに配置する（出典：富士通）
拡大画像表示

　また、プロセッサ「A64FX」のSVE（Scalable Vector Extension）命令を活用し、複数の計算を同時実行することで、メモリーバンド幅の性能を最大化した。さらに、計算と通信をオーバラップさせることで処理時間の短縮を図っている。

●Next：インテルやIBMの量子シミュレータとの性能比較