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)量子計算應用的重要橋梁，使得這些應用在未來幾年內(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領域的應用展開聯(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)等領域的客戶一起展開量子計算應用的聯(lián)合研發(fā)。

富士通首席執(zhí)行官、首席技術官Vivek Mahajan表示：“我們正站在計算技術新時代的邊緣。得益于數(shù)十年來在計算技術領域積累的領先專業(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研究所(RIKEN)合作設計的超級計算機‘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)量子計算相關應用，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[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計算軟件Qamuy[13]，為執(zhí)行各種高速量子化學計算提供資源支持。

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領域的量子應用展開聯(lián)合研究，共同開拓創(chuàng)新材料的設計方法。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反應計算中量子計算的具體算法。

研究時間：2022年4月1日至2023年3月31日

研究目的：計算化學中的量子計算技術運用

研究內(nèi)容：研究和評估量子計算在分子化學反應中的具體算法等。

角色與責任：

富士通：

提供量子模擬器，分析計算結果，研究改進方法

富士膠片：

量子化學計算的實施，分析計算結果，研究改進方法

未來計劃

展望未來，富士通將繼續(xù)致力于技術的改進，包括其量子門融合技術，該技術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是在2022年9月前開發(fā)出40量子比特模擬器，并應用于金融和藥物研發(fā)領域。富士通將把其在量子模擬器上積累的量子應用知識運用到量子計算機的開發(fā)當中，旨在利用量子技術盡快解決各類社會課題。

大阪大學基礎工學研究科 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”的核心技術相結合，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領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用于材料科學的可行性研究。

注釋：

[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，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。

[3]Qulacs

主要由大阪大學工程科學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公司負責新功能開發(fā)和維護。(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

一種主要用于服務器互聯(lián)的超級計算機網(wǎng)絡。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

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提供的量子化學計算軟件。量子化學計算的輸入被轉(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。

關于FUJITSU(富士通)集團

Fujitsu(富士通)是世界領先的日本信息通信技術(ICT)企業(yè)，提供全方位的技術產(chǎn)品、解決方案和服務。在全球擁有約126,000名員工，客戶遍布世界100多個國家。我們憑借在ICT領域的豐富經(jīng)驗和實力，致力于與客戶攜手共創(chuàng)美好的未來社會。富士通集團(東京證券交易所上市代碼：6702)截至2021年3月31日財政年度的合并收益為3.6兆日元(340億美元)。

關于富士通(中國)信息系統(tǒng)有限公司

富士通(中國)信息系統(tǒng)有限公司為FUJITSU(富士通)集團在中國設立的獨資公司，也是FUJITSU(富士通)在中國業(yè)務的核心公司之一。憑借全球強大的技術背景、對高品質(zhì)產(chǎn)品的一貫專注，以及完善的咨詢和支持服務，F(xiàn)UJITSU(富士通)為客戶提供技術前沿的系統(tǒng)架構，全力協(xié)助中國企業(yè)解決信息化建設問題，并精心打造滿足核心業(yè)務需求的解決方案，幫助客戶提高競爭優(yōu)勢，開創(chuàng)無限的商機。

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