コラボレーションによるイノベーションの加速 富士通量子シミュレータチャレンジ2024

富士通は、現在においても将来においても、量子コンピュータの開発においてリーダー的存在であることを目指しています。富士通は先日、40量子ビットのCPUを用いた状態ベクトル量子シミュレータを発表しました。A64FXプロセッサーを搭載した1,024台のFX700ノードを基盤に構築されたこのシステムは、計算効率とスケーラビリティにおいて飛躍的な進歩を遂げています。

この技術革新の中核となるのが、大阪大学と株式会社Qunasysが独自に開発した世界最速クラスの量子シミュレーション・プラットフォーム「Qulacs」です。富士通はQulacsを強化し、クラスタシステム全体で並列実行と分散処理を可能にしました。また、Message Passing Interface（MPI）技術を活用し、Scalable Vector Extension（SVE）操作でメモリ帯域幅を最適化することで、富士通は性能とスケーラビリティを大幅に向上させました。

富士通はさらに、強固な開発エコシステムの重要性を認識し、広く使用されている量子コンピューティングフレームワークであるQiskitと部分的に互換性を持つソフトウェア開発キット（SDK）を導入しました。これにより、開発者の技術障壁が下がり、使い慣れた環境で量子アプリケーションをシームレスに構築・テストできるようになりました。

富士通の量子シミュレータの最新バージョンは、新たに2つの重要な技術的進歩を特徴としています：VQE（Variational Quantum Eigensolver：変分量子固有値ソルバー）高速化技術とQDD（Quantum Decision Diagram：量子決定グラフ）技術です。

この革新的な技術により、量子シミュレータ上で実行される量子・古典ハイブリッドアルゴリズムが最大200倍高速化されます。これにより処理時間が劇的に短縮され、量子化学や材料科学における大規模シミュレーションの可能性が広がります。

この技術革新の鍵は、複数のグループにまたがって多数の量子回路計算を同時に処理することにあります。従来、量子クラシカル・ハイブリッド・アルゴリズム・シミュレーションの計算量は、問題の複雑さに応じて指数関数的に増加し、大規模な課題を解決する際のボトルネックとなっていました。富士通のアプローチは、計算ノード数に応じて計算時間を線形に短縮できる可能性があります。この技術は、MPI（Message Passing Interface）を用いたノード並列計算技術と分散処理技術、および精度劣化を抑えながらハミルトニアンの項を削減する技術を組み合わせたものであり、従来の200倍の速度で32QubitのVQE計算を実現します。

QDDはグラフ構造を用いた大規模高速量子シミュレーションを実装しています。QDDはFTQCアルゴリズムを実行できるという利点があり、従来の明示的状態ベクトルベースのシミュレータではメモリ障害を引き起こすような大規模なShorアルゴリズムやGroverアルゴリズムも実行することができます。(参考文献S. Li et al., "Parallelizing Quantum Simulation with Decision Diagrams,")

一般的に、量子シミュレーションはヒルベルト空間のベクトルと行列を使ってモデル化されます。状態ベクトルを用いる従来のシミュレーション手法はメモリを大量に消費する一方、バイナリ決定図（BDD）やQMDDのような決定図は、冗長性を利用することでより効率的な表現を提供します。

富士通研究所は、マルチノードHPC環境における決定図ベースのシミュレータにリング通信が有効であることを発見しました。この手法により、シミュレーション速度が大幅に向上し、ステートベクトルベースの手法に代わる有効な選択肢となりました。

昨年の富士通量子シミュレータチャレンジの成功を受け、今年もまた、最新の富士通量子シミュレータ技術の能力を試そうとする、インディケータやアカデミアの両方からの幅広い参加者が集まりました。

非常に質の高い応募作品の中から、審査員の慎重な審査による結果、オランダのデルフト工科大学のチームが、接戦の末、第2回量子シミュレータチャレンジの総合優勝に輝きました。産業シフトスケジューリングのための革新的な量子アルゴリズムが評価されました。

第2位は、ドイツのイルメナウ工科大学の粒子画像流速計測（PIV）を高速化する革新的な量子アルゴリズムで、第3位は日本の株式会社QunaSysのチームの量子位相推定アルゴリズムの大規模シミュレーションでした。

量子シミュレータへの挑戦と量子シミュレーションの改善への貢献に対する参加者の皆様の目覚ましい貢献と積極的な参加に、改めて心より感謝申し上げます。私たちは、皆さんとの今後の協力関係や継続的な関わりを熱望しています。

イルメナウ工科大学（ドイツ）
QuPIV - 粒子画像流速測定のための量子相互相関

当プロジェクトでは、流体の流速計測に用いられる粒子画像流速計測（PIV）を高速化する量子アルゴリズムを提案しました。PIVは現在、計算コストの高い相互相関計算に依存しています。このプロジェクトでは、量子振幅増幅の改善と、スパース画像に対する効率的な状態準備について詳述しています。PIVでの使用を通じてアルゴリズムの適用性を実証し、風洞試験やタービン設計を含む様々な分野への潜在的な影響を強調しました。より広範なビジネスへの応用は、相互相関がAIや画像処理から電気通信に至るまで、多くの信号処理アプリケーションにおける基本的な操作であるという事実に由来します。

株式会社Qunasys（日本）
量子位相推定アルゴリズムの大規模シミュレーション

QunaSys社は、量子化学計算の重要な手法である量子位相推定（QPE）アルゴリズムの大規模シミュレーションを行い、量子ビット化法とトロッターQPE法の両方をシミュレーションを実行しました。量子ビット化法は、ゲート数が少ない反面、多くのアンシラ量子ビットが必要であり、H2分子に関するシミュレーションでは、最大39個の量子ビットを使用し、大きな成果を上げました。C2H6の32量子ビットのハミルトニアンを切り詰めたトロッター法のシミュレーションでは、38量子ビットに達し、標準的なノートパソコンでの古典的なフルCI計算の能力を超えました。これらのシミュレーションは、それぞれのQPE法において、この種のシミュレーションとしては最大規模であり、実用的な量子化学の応用に向けた進歩を示しています。

量子コンピューティングの研究はかつてないスピードで進んでおり、それに伴い、量子シミュレーションが現実世界の課題を解決できる可能性も大きく広がっています。競争力を高めたい企業にとって、今こそ量子シミュレーションを活用するチャンスです。富士通はこの革命の最前線に立ち、ビジネスに変革をもたらす高度な量子シミュレーションを提供します。

また、量子コンピュータが完全に機能するのを待ってから量子ベースのソリューションを検討する場合、これらのセクターは最も混乱に陥りやすくなります。早期に量子コンピュータを導入する企業が業界をリードし、遅れをとる企業は後塵を拝することになることが考えられます。

量子コンピュータは従来のコンピュータに取って代わるものではなく、むしろ従来のコンピューティングでは解決できない複雑な問題に取り組むことで、その能力を補完するものです。量子テクノロジーのパワーを活用することで、5つの主要分野で価値を解き放つ可能性があります。

1.高度なデータ分析

量子コンピューティングは、より高速で洗練されたデータ分析を可能にし、企業は膨大なデータセットをリアルタイムで処理できるようになります。これにより、より鋭い洞察と俊敏な意思決定が可能になります。例えば、量子アルゴリズムは顧客行動の隠れたパターンを発見し、より効果的な製品開発やマーケティング戦略を推進することができます。

量子テクノロジーは産業の形を変え、イノベーションと成長のための前例のない機会を生み出しています。富士通の先進的な量子シミュレータを利用することで、今日すでに多くのメリットを享受することができます。

開発のスピードは加速しています。量子の早期導入で競争優位を得たいと考える先進的なリーダーにとって、今こそ行動を起こすべき時です。富士通の量子シミュレーションがお客様の課題を解決し、量子コンピュータがお客様のビジネスを明日からどのように変えていくのか、ぜひ富士通にご相談ください。

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