Fujitsu erreicht mit dem weltschnellsten 36-Qubit-Quantensimulator einen bedeutenden technischen Meilenstein

München, 14. April 2022

Fujitsu hat erfolgreich den weltweit schnellsten Quantencomputer-Simulator entwickelt. Auf einem Clustersystem mit Fujitsus "Supercomputer PRIMEHPC FX 700"¹ ist dieser in der Lage 36-Qubit-Quantenschaltkreise zu verarbeiten und wird von der gleichen A64FX-CPU² angetrieben, wie der weltweit schnellste Supercomputer von Fujitsu – Fugaku.

Der neu entwickelte Quantensimulator kann die Quantensimulator-Software "Qulacs"³ mit hoher Geschwindigkeit parallel ausführen und erreicht bei 36 Qubit-Quantenoperationen etwa die doppelte Leistung anderer namhafter Quantensimulatoren⁴. Der neue Quantensimulator von Fujitsu wird als wichtige Brücke zur Entwicklung von Quantencomputeranwendungen dienen, die in den kommenden Jahren in der Praxis zum Einsatz kommen sollen. Fujitsu hat sich zum Ziel gesetzt, bis September 2022 einen 40-Qubit-Simulator für Anwendungen in den Bereichen Finanzen und Arzneimittelforschung zu entwickeln. Dafür wird Fujitsu sein gesammeltes Wissen über Quantenanwendungen, das auf Quantensimulatoren entwickelt wurde, in die Entwicklung von Quantencomputern einbringen. Mit Hilfe der Quantentechnologie sollen frühzeitig Lösungen für gesellschaftliche Probleme gefunden werden können.

Auf der Grundlage dieses Durchbruchs werden Fujitsu und die Fujifilm Corporation ab dem 1. April 2022 gemeinsame Forschungsarbeiten zu Anwendungen des Quantencomputings im Bereich der Materialwissenschaft aufnehmen. Ziel ist innovative Methoden für das Materialdesign zu entwickeln. Die gemeinsame Forschung wird den neu entwickelten Quantensimulator von Fujitsu nutzen, um Algorithmen zu untersuchen und zu bewerten, die speziell für Quantencomputing bei der Berechnung molekularer chemischer Reaktionen geeignet sind.

Fujitsu arbeitet am stetigen Fortschritt seiner Technologien, einschließlich seiner Quantengatter-Fusionstechnologie. Diese ist in der Lage, Berechnungen für mehrere Quantengatter gleichzeitig durchzuführen, um Quantensimulatoren in größerem Maßstab und mit höherer Geschwindigkeit zu realisieren.

„Wir stehen jetzt an der Schwelle zu einem neuen Zeitalter der Computertechnologie. Fujitsu hat erfolgreich den schnellsten Quantensimulator der Welt entwickelt, indem es seine jahrzehnte lange, weltweit führende Expertise im Bereich der Rechentechnologie eingesetzt hat. Zuletzt haben wir unser Know-How genutzt, um gemeinsam mit RIKEN den Supercomputer Fugaku zu entwickeln, der in den letzten zwei Jahren der schnellste der Welt war“, so Dr. Joseph Reger, Chief Technology Officer Central & Eastern Europe von Fujitsu. „In Zukunft wollen wir diesen neuen Quantensimulator zur Unterstützung unserer Kunden nutzen, die Entwicklung von Quantenanwendungen beschleunigen und letztlich zu einer nachhaltigeren Welt beitragen, indem wir Lösungsansätze für gesellschaftliche Probleme entwickeln."

Die Technik im Detail: Neuer 36-Qubit-Quantensimulator liefert die weltweit schnellste Rechengeschwindigkeit

Fujitsu hat einen parallelen und verteilten Quantensimulator für ein Clustersystem entwickelt, das aus 64 Knoten auf Fujitsus PRIMEHPC FX 700 besteht. Der PRIMEHPC FX 700 ist mit der gleichen A64FX-CPU ausgestattet, die auch den Supercomputer Fugaku antreibt. So kann er eine theoretische Spitzenleistung von 3,072 Teraflops (TFLOPS) bei Berechnungen im Double-Precision-Gleitkommaformat erzielen. Bei der Übertragung auf den A64FX wurde die Leistung der Speicherbandbreite durch die gleichzeitige Ausführung mehrerer Berechnungen mit SVE (Scalable Vector Extension)-Befehlen⁵ maximiert.

Außerdem verfügt er über 32 GB Speicher mit einer hohen Bandbreite von 1.024 Gigabyte pro Sekunde und erreicht Geschwindigkeiten von 12,5 GB pro Sekunde, durch die Verbindung von Knoten über InfiniBand⁶. 

Der neue Quantensimulator nutzt "Qulacs", eine der weltweit schnellsten Quantensimulator-Softwares, entwickelt von der Universität Osaka und der QunaSys Corporation, das neue System ist aber auch mit anderer Quantensimulator-Software kompatibel. MPI (Message Passing Interface)⁷ ermöglicht die parallele und verteilte Ausführung von Qulacs und realisiert einen Datentransfer, der die Netzwerkbandbreite durch Überlappung von Berechnung und Kommunikation maximiert. Fujitsu hat darüber hinaus eine neue Methode entwickelt, um die Qubit-Zustände im verteilten Speicher des Clusters entsprechend dem Fortschritt des Quantenschaltkreises und seiner Berechnung effizient neu anzuordnen, was zu einer Reduzierung der Kommunikationskosten beiträgt. 

Qiskit⁸, eines der wichtigsten Entwicklungswerkzeuge für Quantencomputer-Software, ist für den Quantensimulator von Fujitsu verfügbar und bietet Entwicklern von Quantensoftware eine komfortable Entwicklungsumgebung. Fujitsu plant in Zusammenarbeit mit QunaSys⁹, die quantenchemische Berechnungssoftware Qamuy¹⁰ des Unternehmens auf dem neuen Quantensimulator zur Verfügung zu stellen, um die Ressourcen für die Durchführung von Hochgeschwindigkeits-Quantenchemieberechnungen bereitzustellen.

Weitere Zitate zur Verwendung

„Hochgeschwindigkeitssimulatoren mit Hilfe von Supercomputern sind von immer größerer Bedeutung für die Entwicklung von Quantensoftware und Quantenanwendungen, von denen die Leistung von Quantencomputern abhängt“, sagt Prof. Keisuke Fujii, Division of Advanced Electronics and Optical Science, Graduate School of Engineering Science der Universität Osaka. „Qulacs, eine Open-Source-Software, die von Entwicklern auf der ganzen Welt genutzt wird und die Technologie, die dem Supercomputer Fugaku zugrunde liegt, wurden kombiniert, um den weltweit schnellsten Quantensimulator zu realisieren. Wir sind überzeugt davon, dass er die zukünftige Entwicklung von Quantensoftware erheblich beschleunigen wird.“

„Quantencomputer haben das Potenzial, hochpräzise Berechnungen im Bereich der computergestützten Chemie durchzuführen, die klassische Computer nicht leisten können. Fujifilm wird diese gemeinsame Forschung als Machbarkeitsstudie zur Nutzung von Quantencomputern in den Materialwissenschaften durchführen“, sagt Yukihiro Okuno, Senior Researcher, Analysis Technology Center bei Fujifilm. 

Hinweise

^1. PRIMEHPC FX 700:
Von Fujitsu hergestellter Supercomputer, der eine leistungsstarke ARM-Architektur verwendet und mit der im Supercomputer "Fugaku" verwendeten CPU A64FX ausgestattet ist. https://www.fujitsu.com/global/products/computing/servers/supercomputer/
^2. A64FX:
Der weltweit erste Prozessor, der die Scalable Vector Extension (SVE) implementiert, eine Erweiterung der Armv8.2-A Befehlssatzarchitektur für Supercomputer. Er hat 48 Rechenkerne, die eine theoretische Spitzenleistung von maximal 3,3792 TFLOPS für Gleitkommaberechnungen mit doppelter Genauigkeit liefern. Darüber hinaus können Gleitkomma-Arithmetik mit einfacher Genauigkeit/halber Genauigkeit und 8-Bit/16-Bit-Ganzzahl-Arithmetik durch SIMD mit 512 Bit Breite mit hohem Durchsatz durchgeführt werden, was für KI und andere Verarbeitungsprozesse sehr effektiv ist.
https://www.fujitsu.com/global/products/computing/servers/supercomputer/a64fx/
^3. Qulacs:
Open-Source-Quantenschaltungssimulator-Software, die hauptsächlich vom Fujii-Labor der Graduate School of Engineering Science der Universität Osaka entwickelt wurde; Entwicklung neuer Funktionen und Wartung durch QunaSys. http://docs.qulacs.org/ja/latest/
(Paper: https://quantum-journal.org/papers/q-2021-10-06-559/pdf/)
^4. Weitere namhafte Quantensimulatoren:
Intel Quantum Simulator (Intel-QS) (https://arxiv.org/abs/2001.10554),
Forschungszentrum Jülich's "JUQCS" (https://arxiv.org/abs/2104.03293),
IBM's Qiskit-Aer (https://arxiv.org/abs/2102.02957)
^5. Infiniband:
Ein Netzwerk, das hauptsächlich in Supercomputern zur Verbindung von Servern verwendet wird. Wird verwendet, um ein bidirektionales serielles Verbindungskommunikationssystem bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Hochgeschwindigkeitsband durch die Verwendung einer Vielzahl von Kanälen in einem Bündel zu realisieren.
^6. SVE (Scalable Vector Extension) Befehl:
Ein CPU-Befehl, der mehrere Operationen parallel mit einem einzigen Befehl ausführt.
^7. MPI (Message Passing Interface):
Kommunikations-API, die die Kommunikationsverarbeitung zur Erreichung der Parallelverarbeitung auf einem Supercomputer beschreibt .
^8. Qiskit:
Von IBM entwickeltes und als Open Source freigegebenes Tool zur Entwicklung von Quantensoftware. https://qiskit.org/
^9. Partnerschaft mit QunaSys:
"Quantum Computer Venture QunaSys Raises $1.24 billion Series B" 28. März 2022 QunaSys Pressemeldung: https://qunasys.com/en/news/posts/boopltovid-i
^10.Qamuy:
Software für quantenchemische Berechnungen, bereitgestellt von QunaSys. Die Eingabe der quantenchemischen Berechnung wird in eine Quantenschaltung übersetzt, und die Berechnung auf einem Simulator oder einer tatsächlichen Maschine kann nahtlos durchgeführt werden. https://qunasys.com/en

Datum: 14. April 2022
City: München