PRESS RELEASE

2022年4月8日
台灣富士通股份有限公司

富士通活用超級電腦「富岳」技術
成功開發全球最快速、36量子位元模擬器

瞄準量子電腦實際應用，加速相關應用開發

富士通成功開發全球最快速量子電腦模擬器(下稱量子模擬器)，此模擬器搭載世界上最快速的超級電腦「富岳」的CPU「A64FX⁽¹⁾ 」，能夠在「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700⁽²⁾ 」(下稱PRIMEHPC FX700)所建構的叢集系統中，處理36量子位元之量子電路。

新研發的量子模擬器，透過高速並列分散執行量子模擬器軟體「Qulacs⁽³⁾ 」，在36量子位元的量子運算上，成功達到高出其他量子模擬器⁽⁴⁾ 的兩倍性能，對於被預期未來數十年間將會投入實際應用的量子運算來說，富士通的新型量子模擬器可望成為其發展的重要橋樑。 

承上，富士通於2022年4月1日起，和富士軟片株式會社⁽⁵⁾(下稱富士軟片)一同啟動研發材料科學領域的量子電腦應用(下稱量子應用)。

未來，富士通期待於2022年9月前，開發40量子位元的模擬器，並與金融、藥物研發等領域之客戶，一起研究開發相關量子應用，以加速發展量子電腦的實際應用。

開發背景

以解決複雜的社會課題為目標，開發較傳統電腦指數計算速度更加快速的量子電腦刻不容緩，目前硬體計算面臨錯誤率高與可擴充性等難題，而量子電腦被認為在數年後能夠實際投入應用。因此，外界將目光聚焦於在傳統電腦上運作的量子模擬器，並期待加速開發量子電腦上使用的應用程式。

成功開發之新型量子模擬器

富士通在「富士通PRIMEHPC FX700」上、64節點建構的叢集系統中，開發出分散式量子模擬器，「PRIMEHPC FX700」搭載與超級電腦「富岳」相同的CPU「A64FX」，在雙精度浮點數運算下，理論高峰性能將能達到每秒3.072次的浮點運算次數(下稱TFLOPS)。而且，其可同時搭載32 GIGABYTE(下稱GB)的記憶體、每秒1,024 GB的高頻寬，各節點間透過「InfiniBand⁽⁵⁾ 」連接，可達到每秒12.5GB的高速通訊。

而量子模擬器軟體，則採用國立大阪大學和株式會社QunaSys開發的世界最高速軟體「Qulacs」，活用移植至「A64FX」時的SVE（Scalable Vector Extension）指令⁽⁶⁾ ，同時執行數個計算，使記憶體頻寬最大化。再者，透過MPI(Message Passing Interface⁽⁷⁾) ，可以並列分散執行「Qulacs」，使計算跟通訊重疊，以實現最大化網路頻寬的數據傳輸。 　

富士通更進一步發展出一個嶄新的方法，可以在叢集上的分散記憶體，根據量子電路的進度及其運算，高效重新安排量子位元狀態部署，以減少通訊成本。此方法也能應用在「Qulacs」外的量子模擬器軟體。

透過上述，作為36量子位元的量子模擬器，和其他量子模擬器相比，約能達到兩倍以上的性能優化，成功實現全球最快速處理速度。

此量子模擬器對應量子電腦軟體(下稱量子軟體)的主要開發工具之一——「Qiskit⁽⁸⁾ 」，能為量子軟體開發者打造更便利的開發環境。再加上，透過與QunaSys的緊密合作，未來計畫在此量子模擬器上，配置該公司提供的量子化學計算軟體「Qamuy⁽⁹⁾」，以實現各式高速量子化學計算。

與富士軟片的共同研究

富士通和富士軟片，以實現革新材料設計方法為目標，開始共同研究計算化學領域的量子應用。共同研究中，聚焦分子化學反應計算等領域，活用此次開發之量子模擬器，研發、評估該領域量子運算特有的演算法。

1. 時間：2022年4月1日至2023年3月31日
2. 目的：活用計算化學領域之量子運算技術
3. 研究內容：研發並評估分子化學反應上，量子運算的特有演算法
4. 任務分工：
   ［富士通］提供量子模擬器，檢測計算結果與衡量改善方式
   ［富士軟片］實行量子化學計算，檢測計算結果與衡量改善方式

未來展望

富士通以實現更大規模的高速量子模擬器為目標，強化複數量子閘演算等量子閘融合技術，期待在2022年9月前，開發40量子位元之量子模擬器，在金融與藥物研究領域展開應用。期待透過活用量子模擬器、開發量子應用所累積的經驗與知識，早日實現運用量子運算技術，解決社會課題的那一天。

國立大阪大學基礎工學研究科教授　藤井啓祐　評論

提高量子運算性能的量子軟體與量子應用開發中，使用超級電腦的高速模擬器是越來越重要。這次，開放資源軟體、全世界皆可使用的「Qulacs」，和超級電腦「富岳」技術融合、開發出的全球最快速模擬器，期待能因應未來，大幅加速量子軟體的開發。

富士軟片株式會社解析技術中心主席研究員　奧野幸洋　評論

量子電腦在計算化學領域，可望達成現今電腦不可能達到的高精度運算。作為運用量子電腦開發材料的可行性評估一環，富士軟片將共同進行研究。

富士通株式會社執行役員專務CTO Vivek Mahajan　評論

富士通運用透過開發超級電腦「富岳」孕育的運算技術，成功開發出全球最快速的量子模擬器。未來，藉由客戶實際應用此量子模擬器，加速開拓量子應用，以解決各式課題，持續為永續世界盡一份心力。

• [1]
  A64FX :
  世界第一個執行SVE(Scalable Vector Extension)的處理器，為超級電腦Armv8.2-A指令集架構的延伸。其擁有48個運算節點，實現雙精度浮點數演算的最大化——3.3792 TFLOPS的理論高峰性能。再者，根據單精度/雙精度浮點數運算，以及8bit/16bit整數運算，能夠執行比512bit頻寬的SIMD更高流通量的運算，可以應用在AI等高效處理。
• [2]
  PRIMEHPC FX 700 :
  本公司製作的超級電腦。搭載超級電腦「富岳」所使用的高性能ARM架構CPU「A64FX」。
• [3]
  Qulacs :
  量子電路模擬器軟體，為一開放資源。主要為大阪大學基礎工學研究科藤井研究室開發，由QunaSys開發新功能及維持運作。
  ( Paper )
• [4]
  其他量子模擬器：包含
  Intel的Intel Quantum Simulator (Intel-QS),
  Forschungszentrum Jülich的Forschungszentrum Jülich's "JUQCS",
  IBM的IBM's Qiskit-Aer
• [5]
  Infiniband :
  主要用於超級電腦、連接伺服器的互連技術。藉由串聯複數頻道，實現高速頻寬的雙向序列連續通訊模式。
• [6]
  SVE (Scalable Vector Extension) 指令：
  用一個指令同時執行數個演算的CPU指令。
• [7]
  MPI (Message Passing Interface) :
  超級電腦上為實現同步處理的訊息傳遞通訊API。
• [8]
  Qiskit :
  IBM開發並做為開放資源的量子軟體開發工具。
• [9]
  Qamuy :
  QunaSys提供的量子化學計算軟體。轉譯量子化學計算的輸入訊息至量子電路，能於模擬器或實際裝置上實行無縫運算。

富士通對永續發展目標的承諾 (SDGs)

【本篇新聞為Fujitsu Limited 於2022/3/30發布之新聞稿摘要】

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