A Fujitsu sikeresen kifejlesztette a világ leggyorsabb kvantumszimulátorát, amely 36 qubites áramkörök kezelésére képes a FUJITSU PRIMEHPC FX 700 szuperszámítógépével (PRIMEHPC FX 700)¹ dolgozó klaszteren. A PRIMEHPC FX 700 ugyanazt az A64FX CPU-t² használja, mint a világ leggyorsabb szuperszámítógépe, a Fugaku. 

Az újonnan kifejlesztett kvantumszimulátor nagy sebességgel képes párhuzamosan futtatni a „Qulacs”³ kvantumszimulátor-szoftvert, ezzel nagyjából megduplázva a teljesítményt más fejlett kvantumszimulátorokhoz képest⁴ a 36 qubites kvantumműveletek végrehajtása során. A Fujitsu új kvantumszimulátora jelentős támogatást nyújt azoknak a kvantumszámítástechnikai alkalmazásoknak a fejlesztéséhez, amelyek gyakorlati alkalmazása várhatóan már a következő években elindul. 

Az áttörő fontosságú fejlesztésre építve, a Fujitsu és a Fujifilm Corporation⁵ 2022. április 1-től közös kutatást indít az anyagtudományi felhasználásra szánt kvantumszámítástechnikai alkalmazások fejlesztésére. 

A továbbiakban a Fujitsu még nagyobb erőbedobással dolgozik majd a kvantumszámítógépek fejlesztésén. 2022 szeptemberére 40 qubites szimulátor fejlesztését tervezi, és a pénzügy, valamint a gyógyszerkutatás terén kíván közös kutatás-fejlesztést indítani ügyfeleivel a kvantumalkalmazások használata terén.  

Vivek Mahajan, a Fujitsu Limited technológiai vezérigazgató-helyettese elmondta: „Új korszak küszöbén állunk a számítástechnikában. A számítógépes technológiák terén felhalmozott több évtizedes szakértelmét kamatoztatva a Fujitsu sikeresen kifejlesztette a világ leggyorsabb kvantumszimulátorát. Korábban ezt a szaktudást a RIKEN partnereként a Fugaku szuperszámítógép fejlesztésére hasznosítottuk, amely már két éve őrzi első helyét a leggyorsabb rendszerek között. Az új kvantumszimulátorral támogatni kívánjuk ügyfeleinket a kvantumalkalmazások gyorsabb fejlesztésében, hogy a társadalom előtt álló különféle problémák megoldásával hozzájáruljunk a fenntartható világ megteremtéséhez.”

Az új 36 qubites szimulátor világelső feldolgozási sebességet nyújt

A Fujitsu párhuzamos, elosztott kvantumszimulátort hozott létre egy 64 PRIMEHPC FX 700 node-ból álló klaszteren.  

A PRIMEHPC FX 700 rendszer A64FX processzora ugyanaz a CPU, mint amivel a Fugaku szuperszámítógép is dolgozik. A kétszeres pontosságú lebegőpontos számításoknál elérhető elméleti csúcsteljesítménye 3,072 teraflop (TFLOP). A node-okat InfiniBand⁶ segítségével összekapcsoló rendszer 32 GB memóriája 1024 GB/s sávszélességgel és 12,5 GB/s sebességgel párosul.  

Az új kvantumszimulátor a világ egyik leggyorsabb kvantumszimulátor-szoftverét, az Oszakai Egyetem⁷ és a QunaSys Corporation⁸ által fejlesztett Qulacs-t futtatja. A szimulátor memória-sávszélességének teljesítményét úgy növelték, hogy egyidejűleg több számítást hajtson végre SVE (Scalable Vector Extension) utasítások segítségével⁹ az A64FX processzorra portolva.  

Az MPI (Message Passing Interface) interfész¹⁰ lehetővé teszi a Qulacs párhuzamos és elosztott végrehajtását, és az adatátvitel során a számítási folyamat és a kommunikáció átfedésével maximálja a hálózati sávszélességet. A Fujitsu kidolgozott egy olyan új módszert is, amely képes hatékonyan átrendezni a qubit állapotokat a klaszter elosztott memóriájában a kvantumáramkör és az általa végzett számítás előrehaladása szerint, csökkentve ezzel a kommunikációs költséget. Az új rendszer a Qulacs mellett más kvantumszimulátor-szoftverekkel is képes együttműködni.  

A Fujitsu kvantumszimulátorához elérhető a Qiskit¹¹, a kvantumszámítógépes szoftverek egyik fő fejlesztési eszköze, amely rendkívüli kényelmes fejlesztési környezetet biztosít a kvantumszoftver-fejlesztők számára. A Fujitsu a QunaSys-szel¹² együttműködve fogja szállítani a vállalat kvantumkémiai szoftverét, a Qamuy-t¹³ az új kvantumszimulátoron a nagy sebességű kvantumkémiai számítások széles körének végrehajtásához.

A Fujifilmmel megvalósított közös kutatási projekt

A Fujitsu és a Fujifilm közös kutatást indít a kvantumalkalmazások használatáról innovatív anyagtervezési módszerek kidolgozásához a számítógépes kémia területén. A kutatás során a Fujitsu új fejlesztésű kvantumszimulátorát fogják használni a kvantumszámítástechnika-specifikus algoritmusok vizsgálatára és értékelésére a molekuláris kémiai reakciók számításainál. 

1. Időszak: április 1-től 2023. március 31-ig
2. Cél: A kvantumszámítástechnika hasznosítása a számítógépes kémiában
3. Kutatási tartalom: Kvantumszámítástechnika-specifikus algoritmusok vizsgálata és értékelése a molekulák kémiai reakciói stb. területén
4. Szerepkörök és feladatok:

Fujitsu:

• Kvantumszimulátor biztosítása, számítási eredmények elemzése, fejlesztési módszerek vizsgálata

Fujifilm:

• Kvantumkémiai számítások végrehajtása, számítási eredmények elemzése, fejlesztési módszerek vizsgálata

Jövőbeni tervek

A jövőben a Fujitsu tovább dolgozik technológiái tökéletesítésén, ideértve kvantumkapu-fúziós technológiáját, amely több kvantumkapuhoz képes egyidejűleg számításokat végezni a kvantumszimulátorok nagyobb léptékű és magasabb sebességű hasznosítása érdekében. A Fujitsu 2022 szeptemberére 40 qubites szimulátor fejlesztését is tervezi pénzügyi és gyógyszerkutatási célra. A vállalat a kvantumszimulátorokon fejlesztett kvantumalkalmazásokkal kapcsolatban felhalmozott tudását fel kívánja használni a jövő kvantumszámítógépeinek fejlesztéséhez azzal a céllal, hogy a kvantumtechnológia segítségével mielőbb megoldásokat találjon egyes társadalmi problémákra.

Keisuke Fujii, az Oszakai Egyetem mérnöki mesteriskolájában működő fejlett elektronikai és optikatudományi divízió professzora:

„A szuperszámítógépekre épülő nagy sebességű szimulátorok egyre fontosabb szerepet játszanak a kvantumszámítógépek teljesítményét meghatározó kvantumszoftverek és kvantumalkalmazások fejlesztésében. A fejlesztők által világszerte használt nyílt forráskódú Qulacs szoftvert a Fugaku szuperszámítógép alaptechnológiájával kombinálva elkészítettük a világ leggyorsabb kvantumszimulátorát, amely meggyőződésünk szerint jelentősen fel fogja gyorsítani a kvantumszoftverek jövőbeni fejlesztését.”

Yukihiro Okuno, a Fujifilm elemzéstechnológiai központjának kutatásvezetője:

„A kvantumszámítógépek rendkívül pontos számításokat végeznek a számítógépes kémia területén. A hagyományos számítógépek erre nem képesek. A közös kutatás keretében a Fujifilm azt kívánja megvizsgálni, mennyire megvalósítható a kvantumszámítógépek használata az anyagtudományban.”

Megjegyzések

1. PRIMEHPC FX 700:

A Fujitsu által gyártott, nagy teljesítményű ARM architektúrára épülő szuperszámítógép, amely a Fugaku szuperszámítógép A64FX processzorával dolgozik. https://www.fujitsu.com/global/products/computing/servers/supercomputer/

2. A64FX:

A világ első processzora, amely az Armv8.2-A szuperszámítógépes utasításkészlet-architektúra kiterjesztését, az SVE-t (Scalable Vector Extension) használja. 48 maggal rendelkezik, elméleti csúcsteljesítménye 3,3792 TFLOP a kétszeres pontosságú lebegőpontos számításoknál. Az 512 bit szélességű SIMD nagy átviteli teljesítményt biztosít az egyszeres pontosságú/fél pontosságú lebegőpontos aritmetikához és a 8 bites/16 bites egész szám aritmetikához, ami rendkívül hatékonyan támogatja a mesterséges intelligenciát és más feldolgozási folyamatokat.

https://www.fujitsu.com/global/products/computing/servers/supercomputer/a64fx/

3. Qulacs:

Nyílt forráskódú kvantumáramkör-szimulációs szoftver. Főbb fejlesztői: Fujii Laboratory, az Oszakai Egyetem mérnöki mesteriskolája; az új funkciók fejlesztését és a karbantartást a QunaSys végzi. http://docs.qulacs.org/ja/latest/

(Tanulmány: https://quantum-journal.org/papers/q-2021-10-06-559/pdf/)

4. Más jelentős kvantumszimulátorok:

Intel Quantum Simulator (Intel-QS) (https://arxiv.org/abs/2001.10554),

Forschungszentrum Jülich's "JUQCS" (https://arxiv.org/abs/2104.03293),

Qiskit-Aer, IBM (https://arxiv.org/abs/2102.02957)

5. Fujifilm Corporation:

Székhely: Minato-ku, Tokió, Japán; Elnök-vezérigazgató: Teiichi Goto.

6. Infiniband:

A szuperszámítógépekben elsősorban szerverek összekapcsolására használt hálózat. Olyan kétirányú soros kapcsolattal rendelkező kommunikációs rendszert biztosít, amely egy köteg több csatornájának felhasználásával nagy sebességű sávot hoz létre.

7. Oszakai Egyetem:

Székhely: Suita City, Oszaka prefektúra, Japán; elnök: Shojiro Nishio.

8. QunaSys Co., Ltd.:

Székhely: Bunkyo-ku, Tokió, Japán; vezérigazgató: Tien Yang.

9. SVE (Scalable Vector Extension) utasításkészlet:

Olyan CPU-utasítás, amely párhuzamosan több műveletet hajt végre egyetlen utasításon keresztül.

10. MPI (Message Passing Interface):

Kommunikációs API, amely a szuperszámítógépen történő párhuzamos feldolgozáshoz szükséges kommunikációs feldolgozást írja le.

11. Qiskit:

Az IBM által kifejlesztett, nyílt forráskódúként kibocsátott kvantumszoftver-fejlesztő eszköz: https://qiskit.org/

12. QunaSys-partnerkapcsolat:

A QunaSys kvantumszámítógépes vállalat 1,24 milliárd dollár értékű B sorozatú finanszírozáshoz jut (Quantum Computer Venture QunaSys Raises $1.24 billion Series B, a QunaSys 2022. március 28-i sajtóközleménye: https://qunasys.com/en/news/posts/boopltovid-i)

13. Qamuy:

A QunaSys kvantumkémiai számításokhoz készült szoftvere. A kvantumkémiai számítás bemenetét kvantumáramkörre fordítják, ezt követően szimulátoron vagy tényleges gépen zökkenőmentesen elvégezhető a számítás. https://qunasys.com/en