富士通凭借全球最快的36量子位量子模拟器，开创新的技术里程碑
富士通近日宣布，已经成功开发出全球最快的量子计算机模拟器，并运行在富士通 PRIMEHPC FX 700(*1)超级计算机集群系统上，能够处理36量子位的量子电路。该系统配备了与全球最快超级计算机“富岳（Fugaku）”一样的A64FX(*2)?CPU。
新开发的量子模拟器能够以高速并行的方式运行量子模拟器软件”Qulacs(*3)“，其性能约为业内其它主流量子模拟器(*4)的两倍。富士通的新量子模拟器将成为开发量子计算应用的重要桥梁，使得这些应用在未来几年内能够投入实际使用。
基于这一里程碑式的突破，从2022年4月1日起，富士通与富士胶片公司(*5)（以下简称富士胶片）将围绕量子计算在材料科学领域的应用展开联合研究。
展望未来，富士通将进一步加快量子计算机开发的步伐，力争在2022年9月前开发出 40量子位模拟器，并与来自金融、药物研发等领域的客户一起展开量子计算应用的联合研发。
富士通首席执行官、首席技术官Vivek Mahajan表示：“我们正站在计算技术新时代的边缘。得益于数十年来在计算技术领域积累的领先专业知识，富士通成功开发了全球最快的量子模拟器。我们还将这些知识用于与日本理化学研究所（RIKEN）合作设计的超级计算机‘富岳’，并在过去两年里保持了全球最快超级计算机的称号。展望未来，我们的目标是利用新的量子模拟器为我们的客户加速开发量子计算相关应用，并通过解决社会面临的一系列课题与挑战，为可持续发展的世界做出更多积极的贡献。”
全新36量子位量子模拟器提供全球最快的处理速度
富士通开发了分布式并行量子模拟器，并运行在富士通PRIMEHPC FX 700超级计算机上的64节点集群系统。
PRIMEHPC FX 700配备了与超级计算机“富岳”相同的A64FX CPU，在双精度浮点运算中可以实现3.072 TFLOPS的理论峰值性能。它还配备了32GB内存，每秒1,024 GB的高带宽，通过InfiniBand(*6)连接各节点的速度为每秒12.5GB。
新的量子模拟器采用了 “Qulacs”软件，它是由大阪大学(*7)和QunaSys公司(*8)开发的全球最快的量子模拟器软件之一，在移植到A64FX时，通过使用SVE（可伸缩矢量扩展）指令(*9)同时执行多个计算，使内存带宽的性能达到最大化。
MPI（信息传递接口）(*10)实现了Qulacs的分布式并行运行，并通过重叠计算和通信实现了数据传输，使网络带宽最大化。富士通还开发了一种新的方法，能够根据量子电路及其运算进程，对部署在集群分布式存储器中的量子位状态进行重新安排，从而进一步降低通信成本。除了“Qulacs”之外，新系统还能与其他量子模拟软件兼容。
富士通量子模拟器使用了Qiskit(*11)为量子软件开发者提供了高度便利的开发环境，后者是当前量子计算机软件的主要开发工具之一。通过与QunaSys(*12)公司的合作，富士通计划在新的量子模拟器上提供量子化学计算软件Qamuy(*13)，为执行各种高速量子化学计算提供资源支持。
与富士胶片的联合研究项目概要
此外，富士通和富士胶片将围绕计算化学领域的量子应用展开联合研究，共同开拓创新材料的设计方法。该联合研究将利用富士通新开发的量子模拟器，研究和评估分子化学反应计算中量子计算的具体算法。
- 研究时间：2022年4月1日至2023年3月31日
- 研究目的：计算化学中的量子计算技术运用
- 研究内容：研究和评估量子计算在分子化学反应中的具体算法等。
- 角色与责任：
富士通：
?提供量子模拟器，分析计算结果，研究改进方法
富士胶片：
?量子化学计算的实施，分析计算结果，研究改进方法
未来计划
展望未来，富士通将继续致力于技术的改进，包括其量子门融合技术，该技术能够同时进行多个量子门的计算，以实现更大规模和更高速度的量子模拟器。富士通的下一个目标是在2022年9月前开发出40量子比特模拟器，并应用于金融和药物研发领域。富士通将把其在量子模拟器上积累的量子应用知识运用到量子计算机的开发当中，旨在利用量子技术尽快解决各类社会课题。
大阪大学基础工学研究科 藤井啓祐教授的评论：
使用超级计算机的高速模拟器在量子软件和量子应用方面正变得越来越重要。Qulacs是全球开发者使用的开源软件，与超级计算机 “富岳”的核心技术相结合，实现了全球最快的量子模拟器，我们相信这将大大加快未来量子软件的发展。
富士胶片分析技术中心高级研究员奥野幸洋的评论：
量子计算机能够在计算化学领域进行高度精确的计算，这是传统计算机无法做到的。富士胶片将展开这项联合研究，以作为将量子计算机应用于材料科学的可行性研究。
参考资料：
- [1]PRIMEHPC FX 700?:
由富士通生产的超级计算机，采用高性能ARM架构，配备了与超级计算机 “富岳”中使用的同款CPU A64FX。 - [2]A64FX?:
全球首个实现可伸缩矢量扩展（SVE）的处理器，它是用于超级计算机的Armv8.2-A指令集架构的扩展。A64FX有48个操作核心，为双精度浮点运算提供最大3.3792 TFLOPS的理论峰值性能。此外，单精度/半精度浮点运算和8位/16位整数运算可以通过512位宽度的SIMD进行高吞吐量的运算，非常适用于人工智能和其他处理任务。 - [3]Qulacs?:
主要由大阪大学工程科学研究生院藤井实验室开发的开源量子电路模拟软件；由QunaSys公司负责新功能开发和维护。
(?
论文?) - [4]其他主流量子模拟器 :
英特尔量子模拟器 (Intel-QS),
德国于利希研究中心的 “JUQCS”,
IBM的 Qiskit-Aer - [5]富士胶片公司 :
总部：日本东京港区；总裁兼首席执行官：後藤禎一 - [6]Infiniband :
一种主要用于服务器互联的超级计算机网络。它提供一个双向的串行连接通信系统，能够通过使用捆绑的多个通道实现高速带宽。 - [7]大阪大学 :
地址：日本大阪府吹田市；校长：西尾章治郎 - [8]QunaSys有限公司 :
总部：日本东京文京区；首席执行官：Tien Yang - [9]SVE（Scalable Vector Extension）指令 :
一种CPU指令，用一条指令并行执行多个操作。 - [10]MPI（信息传递接口） :
通信API，用于编写并行计算机。 - [11]Qiskit?:
由IBM开发的量子软件开发工具，并作为开源代码公布。 - [12]与QunaSys的合作 :
“量子计算机创业公司QunaSys获得12.4亿美元的B轮融资“（2022年3月28日QunaSys新闻稿） - [13]Qamuy?:
由QunaSys提供的量子化学计算软件。量子化学计算的输入被转化为量子电路，可以无缝在模拟器或实际机器上进行计算。
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