富士通近日宣布，已經(jīng)成功開發(fā)出全球最快的量子計算機模擬器，并運行在富士通 PRIMEHPC FX 700(*1)超級計算機集群系統(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計算機“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，富士通將進一步加快量子計算機開發(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：“我們正站在計算技術(shù)新時代的邊緣。得益于數(shù)十年來在計算技術(shù)領(lǐng)域積累的領(lǐng)先專業(yè)知識，富士通成功開發(fā)了全球最快的量子模擬器。我們還將這些知識用于與日本理化學(xué)研究所（RIKEN）合作設(shè)計的超級計算機‘富岳’，并在過去兩年里保持了全球最快超級計算機的稱號。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)量子計算相關(guān)應(yīng)用，并通過解決社會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。”

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，并運行在富士通PRIMEHPC FX 700超級計算機上的64節(jié)點集群系統(tǒng)。

PRIMEHPC FX 700配備了與超級計算機“富岳”相同的A64FX CPU，在雙精度浮點運算中可以實現(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，通過使用SVE（可伸縮矢量擴展）指令(*9)同時執(zhí)行多個計算，使內(nèi)存帶寬的性能達到最大化。

MPI（信息傳遞接口）(*10)實現(xiàn)了Qulacs的分布式并行運行，并通過重疊計算和通信實現(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)量子電路及其運算進程，對部署在集群分布式存儲器中的量子位狀態(tài)進行重新安排，從而進一步降低通信成本。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)前量子計算機軟件的主要開發(fā)工具之一。通過與QunaSys(*12)公司的合作，富士通計劃在新的量子模擬器上提供量子化學(xué)計算軟件Qamuy(*13)，為執(zhí)行各種高速量子化學(xué)計算提供資源支持。

與富士膠片的聯(lián)合研究項目概要

此外，富士通和富士膠片將圍繞計算化學(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，研究和評估分子化學(xué)反應(yīng)計算中量子計算的具體算法。

1、研究時間：2022年4月1日至2023年3月31日

2、研究目的：計算化學(xué)中的量子計算技術(shù)運用

3、研究內(nèi)容：研究和評估量子計算在分子化學(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，分析計算結(jié)果，研究改進方法

富士膠片：

?量子化學(xué)計算的實施，分析計算結(jié)果，研究改進方法

未來計劃

展望未來，富士通將繼續(xù)致力于技術(shù)的改進，包括其量子門融合技術(shù)，該技術(shù)能夠同時進行多個量子門的計算，以實現(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)用知識運用到量子計算機的開發(fā)當(dāng)中，旨在利用量子技術(shù)盡快解決各類社會課題。

大阪大學(xué)基礎(chǔ)工學(xué)研究科 藤井啓祐教授的評論：

使用超級計算機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，與超級計算機 “富岳”的核心技術(shù)相結(jié)合，實現(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)中心高級研究員奧野幸洋的評論：

量子計算機能夠在計算化學(xué)領(lǐng)域進行高度精確的計算，這是傳統(tǒng)計算機無法做到的。富士膠片將展開這項聯(lián)合研究，以作為將量子計算機應(yīng)用于材料科學(xué)的可行性研究。

[1] PRIMEHPC FX 700 :

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

[2] A64FX :

全球首個實現(xiàn)可伸縮矢量擴展（SVE）的處理器，它是用于超級計算機的Armv8.2-A指令集架構(gòu)的擴展。A64FX有48個操作核心，為雙精度浮點運算提供最大3.3792 TFLOPS的理論峰值性能。此外，單精度/半精度浮點運算和8位/16位整數(shù)運算可以通過512位寬度的SIMD進行高吞吐量的運算，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)研究生院藤井實驗室開發(fā)的開源量子電路模擬軟件；由QunaSys公司負責(zé)新功能開發(fā)和維護。

[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)的超級計算機網(wǎng)絡(luò)。它提供一個雙向的串行連接通信系統(tǒng)，能夠通過使用捆綁的多個通道實現(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)行多個操作。

[10]MPI（信息傳遞接口） :

通信API，用于編寫并行計算機。

[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 :

"量子計算機創(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)計算軟件。量子化學(xué)計算的輸入被轉(zhuǎn)化為量子電路，可以無縫在模擬器或?qū)嶋H機器上進行計算。