富士通憑借全球最快的36量子位量子模擬器，開創(chuàng)新的技術(shù)里程碑

東京2022年4月8日 /美通社/ -- 富士通近日宣布，已經(jīng)成功開發(fā)出全球最快的量子計(jì)算機(jī)模擬器，并運(yùn)行在富士通 PRIMEHPC FX 700^[1]超級(jí)計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)上，能夠處理36量子位的量子電路。該系統(tǒng)配備了與全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳（Fugaku）”一樣的A64FX^[2] CPU。

新開發(fā)的量子模擬器能夠以高速并行的方式運(yùn)行量子模擬器軟件“Qulacs^[3]”，其性能約為業(yè)內(nèi)其它主流量子模擬器^[4]的兩倍。富士通的新量子模擬器將成為開發(fā)量子計(jì)算應(yīng)用的重要橋梁，使得這些應(yīng)用在未來幾年內(nèi)能夠投入實(shí)際使用。

基于這一里程碑式的突破，從2022年4月1日起，富士通與富士膠片公司^[5]（以下簡稱富士膠片）將圍繞量子計(jì)算在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用展開聯(lián)合研究。

展望未來，富士通將進(jìn)一步加快量子計(jì)算機(jī)開發(fā)的步伐，力爭在2022年9月前開發(fā)出40量子位模擬器，并與來自金融、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的客戶一起展開量子計(jì)算應(yīng)用的聯(lián)合研發(fā)。

富士通首席執(zhí)行官、首席技術(shù)官Vivek Mahajan表示：“我們正站在計(jì)算技術(shù)新時(shí)代的邊緣。得益于數(shù)十年來在計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域積累的領(lǐng)先專業(yè)知識(shí)，富士通成功開發(fā)了全球最快的量子模擬器。我們還將這些知識(shí)用于與日本理化學(xué)研究所（RIKEN）合作設(shè)計(jì)的超級(jí)計(jì)算機(jī)‘富岳’，并在過去兩年里保持了全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)的稱號(hào)。展望未來，我們的目標(biāo)是利用新的量子模擬器為我們的客戶加速開發(fā)量子計(jì)算相關(guān)應(yīng)用，并通過解決社會(huì)面臨的一系列課題與挑戰(zhàn)，為可持續(xù)發(fā)展的世界做出更多積極的貢獻(xiàn)?！?/p>

全新36量子位量子模擬器提供全球最快的處理速度

富士通開發(fā)了分布式并行量子模擬器，并運(yùn)行在富士通PRIMEHPC FX 700超級(jí)計(jì)算機(jī)上的64節(jié)點(diǎn)集群系統(tǒng)。

PRIMEHPC FX 700配備了與超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”相同的A64FX CPU，在雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算中可以實(shí)現(xiàn)3.072 TFLOPS的理論峰值性能。它還配備了32GB內(nèi)存，每秒1,024 GB的高帶寬，通過InfiniBand^[6]連接各節(jié)點(diǎn)的速度為每秒12.5GB。

新的量子模擬器采用了“Qulacs”軟件，它是由大阪大學(xué)^[7]和QunaSys公司^[8]開發(fā)的全球最快的量子模擬器軟件之一，在移植到A64FX時(shí)，通過使用SVE（可伸縮矢量擴(kuò)展）指令^[9]同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算，使內(nèi)存帶寬的性能達(dá)到最大化。

MPI（信息傳遞接口）^[10]實(shí)現(xiàn)了Qulacs的分布式并行運(yùn)行，并通過重疊計(jì)算和通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，使網(wǎng)絡(luò)帶寬最大化。富士通還開發(fā)了一種新的方法，能夠根據(jù)量子電路及其運(yùn)算進(jìn)程，對(duì)部署在集群分布式存儲(chǔ)器中的量子位狀態(tài)進(jìn)行重新安排，從而進(jìn)一步降低通信成本。除了“Qulacs”之外，新系統(tǒng)還能與其他量子模擬軟件兼容。

富士通量子模擬器使用了Qiskit^[11]為量子軟件開發(fā)者提供了高度便利的開發(fā)環(huán)境，后者是當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)軟件的主要開發(fā)工具之一。通過與QunaSys^[12]公司的合作，富士通計(jì)劃在新的量子模擬器上提供量子化學(xué)計(jì)算軟件Qamuy^[13]，為執(zhí)行各種高速量子化學(xué)計(jì)算提供資源支持。

與富士膠片的聯(lián)合研究項(xiàng)目概要

此外，富士通和富士膠片將圍繞計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的量子應(yīng)用展開聯(lián)合研究，共同開拓創(chuàng)新材料的設(shè)計(jì)方法。該聯(lián)合研究將利用富士通新開發(fā)的量子模擬器，研究和評(píng)估分子化學(xué)反應(yīng)計(jì)算中量子計(jì)算的具體算法。

1. 研究時(shí)間：2022年4月1日至2023年3月31日
2. 研究目的：計(jì)算化學(xué)中的量子計(jì)算技術(shù)運(yùn)用
3. 研究內(nèi)容：研究和評(píng)估量子計(jì)算在分子化學(xué)反應(yīng)中的具體算法等。
4. 角色與責(zé)任：

• 富士通：
• 提供量子模擬器，分析計(jì)算結(jié)果，研究改進(jìn)方法
• 富士膠片：
• 量子化學(xué)計(jì)算的實(shí)施，分析計(jì)算結(jié)果，研究改進(jìn)方法

未來計(jì)劃

展望未來，富士通將繼續(xù)致力于技術(shù)的改進(jìn)，包括其量子門融合技術(shù)，該技術(shù)能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)量子門的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模和更高速度的量子模擬器。富士通的下一個(gè)目標(biāo)是在2022年9月前開發(fā)出40量子比特模擬器，并應(yīng)用于金融和藥物研發(fā)領(lǐng)域。富士通將把其在量子模擬器上積累的量子應(yīng)用知識(shí)運(yùn)用到量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)當(dāng)中，旨在利用量子技術(shù)盡快解決各類社會(huì)課題。

大阪大學(xué)基礎(chǔ)工學(xué)研究科 藤井啓祐教授的評(píng)論：

使用超級(jí)計(jì)算機(jī)的高速模擬器在量子軟件和量子應(yīng)用方面正變得越來越重要。Qulacs是全球開發(fā)者使用的開源軟件，與超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”的核心技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全球最快的量子模擬器，我們相信這將大大加快未來量子軟件的發(fā)展。

富士膠片分析技術(shù)中心高級(jí)研究員奧野幸洋的評(píng)論：

量子計(jì)算機(jī)能夠在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行高度精確的計(jì)算，這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法做到的。富士膠片將展開這項(xiàng)聯(lián)合研究，以作為將量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于材料科學(xué)的可行性研究。

注釋：

^[1] PRIMEHPC FX 700

由富士通生產(chǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用高性能ARM架構(gòu)，配備了與超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”中使用的同款CPU A64FX。

^[2] A64FX

全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)可伸縮矢量擴(kuò)展（SVE）的處理器，它是用于超級(jí)計(jì)算機(jī)的Armv8.2-A指令集架構(gòu)的擴(kuò)展。A64FX有48個(gè)操作核心，為雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算提供最大3.3792 TFLOPS的理論峰值性能。此外，單精度/半精度浮點(diǎn)運(yùn)算和8位/16位整數(shù)運(yùn)算可以通過512位寬度的SIMD進(jìn)行高吞吐量的運(yùn)算，非常適用于人工智能和其他處理任務(wù)。

^[3] Qulacs

主要由大阪大學(xué)工程科學(xué)研究生院藤井實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的開源量子電路模擬軟件；由QunaSys公司負(fù)責(zé)新功能開發(fā)和維護(hù)。(論文)

^[4] 其他主流量子模擬器

英特爾量子模擬器（Intel-QS）

德國于利希研究中心的“JUQCS”

IBM的Qiskit-Aer

^[5] 富士膠片公司

總部：日本東京港區(qū)；總裁兼首席執(zhí)行官：後藤禎一

^[6] Infiniband

一種主要用于服務(wù)器互聯(lián)的超級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它提供一個(gè)雙向的串行連接通信系統(tǒng)，能夠通過使用捆綁的多個(gè)通道實(shí)現(xiàn)高速帶寬。

^[7] 大阪大學(xué)

地址：日本大阪府吹田市；校長：西尾章治郎

^[8] QunaSys有限公司

總部：日本東京文京區(qū)；首席執(zhí)行官：Tien Yang

^[9] SVE（Scalable Vector Extension）指令

一種CPU指令，用一條指令并行執(zhí)行多個(gè)操作。

^[10] MPI（信息傳遞接口）

通信API，用于編寫并行計(jì)算機(jī)。

^[11] Qiskit

由IBM開發(fā)的量子軟件開發(fā)工具，并作為開源代碼公布。

^[12] 與QunaSys的合作

“量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)業(yè)公司QunaSys獲得12.4億美元的B輪融資”（2022年3月28日QunaSys新聞稿）

^[13] Qamuy

由QunaSys提供的量子化學(xué)計(jì)算軟件。量子化學(xué)計(jì)算的輸入被轉(zhuǎn)化為量子電路，可以無縫在模擬器或?qū)嶋H機(jī)器上進(jìn)行計(jì)算。

本稿件為富士通株式會(huì)社新聞稿摘錄，原稿件發(fā)布于2022年3月30日，鏈接：
https://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2022/0330-01.html

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