Quantensimulator von Fujitsu: Wichtige Brücke für neue Quantencomputer-Anwendungen

• Fujitsu hat jetzt den weltweit schnellsten 36-Qubit-Quantensimulator entwickelt, der dieselbe CPU nutzt wie der Supercomputer Fugaku.
• Bis September 2022 hat sich Fujitsu zum Ziel gesetzt, einen 40-Qubit-Quantensimulator für Anwendungen in den Bereichen Finanzen und Arzneimittelforschung zu entwickeln.
• Fujitsu wird in Zusammenarbeit mit Fujifilm zu Quantencomputing-Anwendungen im Bereich der Materialwissenschaft und der computergestützten Chemie forschen.

Fujitsu hat den weltweit schnellsten Quantencomputer-Simulator entwickelt. Auf einem Clustersystem mit dem Supercomputer Fujtsu PrimeHPC FX 700 ist dieser in der Lage, 36-Qubit-Quantenschaltkreise zu verarbeiten. Er wird von der gleichen A64FX-CPU angetrieben wie Fugaku, der weltweit schnellste Supercomputer von Fujitsu. Der neu entwickelte Quantensimulator kann die Quantensimulator-Software Qulacs mit hoher Geschwindigkeit parallel ausführen. Er erreicht bei 36 Qubit-Quantenoperationen etwa die doppelte Leistung anderer namhafter Quantensimulatoren.

Der Quantensimulator dient als wichtige Brücke zur Entwicklung von Quantencomputer-Anwendungen, die in den nächsten Jahren zum praktischen Einsatz kommen sollen. Fujitsu hat sich zum Ziel gesetzt, bis September 2022 einen 40-Qubit-Simulator für Anwendungen in den Bereichen Finanzen und Arzneimittelforschung zu entwickeln. Dafür wird Fujitsu sein gesammeltes Wissen über Quantencomputing-Anwendungen, das auf Quantensimulatoren entwickelt wurde, in die Entwicklung der Quantencomputer einbringen. Mit Hilfe der Quantentechnologie sollen frühzeitig Lösungen für gesellschaftliche Probleme gefunden werden können.

Entwicklung neuer Methoden für das Materialdesign

Auf der Grundlage dieses Durchbruchs werden Fujitsu und die Fujifilm Corporation ab dem 1. April 2022 gemeinsame Forschungsarbeiten zu Anwendungen des Quantencomputings im Bereich der Materialwissenschaft aufnehmen. Ziel ist es, innovative Methoden für das Materialdesign zu entwickeln. Die gemeinsame Forschung wird den neu entwickelten Quantensimulator von Fujitsu nutzen, um Algorithmen zu untersuchen und zu bewerten, die speziell für Quantencomputing bei der Berechnung molekularer chemischer Reaktionen geeignet sind. Fujitsu arbeitet am stetigen Fortschritt seiner Technologien, einschließlich seiner Quantengatter-Fusionstechnologie. Diese ist in der Lage, Berechnungen für mehrere Quantengatter gleichzeitig durchzuführen. Ziel ist es, Quantensimulatoren in größerem Maßstab und mit höherer Geschwindigkeit zu realisieren.  

„Wir stehen jetzt an der Schwelle zu einem neuen Zeitalter der Computertechnologie. Fujitsu hat erfolgreich den schnellsten Quantensimulator der Welt entwickelt, indem es seine jahrzehnte lange, weltweit führende Expertise im Bereich der Rechentechnologie eingesetzt hat. Zuletzt haben wir unser Know-How genutzt, um gemeinsam mit Riken den Supercomputer Fugaku zu entwickeln, der in den letzten zwei Jahren der schnellste der Welt war“, erklärt Dr. Joseph Reger, Chief Technology Officer Central & Eastern Europe von Fujitsu. „In Zukunft wollen wir diesen neuen Quantensimulator zur Unterstützung unserer Kunden nutzen. Und die Entwicklung von Quantenanwendungen beschleunigen und letztlich zu einer nachhaltigeren Welt beitragen, indem wir Lösungsansätze für gesellschaftliche Probleme entwickeln.“

Quantencomputer-Simulator liefert schnellste Rechengeschwindigkeit

Fujitsu hat einen parallelen und verteilten Quantensimulator für ein Clustersystem entwickelt, das aus 64 Knoten von dem PrimeHPC FX 700 besteht. Das Modell ist mit der gleichen A64FX-CPU ausgestattet, die auch den Supercomputer Fugaku antreibt. So kann er eine theoretische Spitzenleistung von 3,072 Teraflops (TFLOPS) bei Berechnungen im Double-Precision-Gleitkommaformat erzielen. Bei der Übertragung auf den A64FX wurde die Leistung der Speicherbandbreite durch die gleichzeitige Ausführung mehrerer Berechnungen mit SVE (Scalable Vector Extension)-Befehlen maximiert.

Außerdem verfügt er über 32 GB Speicher mit einer hohen Bandbreite von 1.024 Gigabyte pro Sekunde und erreicht Geschwindigkeiten von 12,5 GB pro Sekunde, durch die Verbindung von Knoten über InfiniBand. Der neue Quantensimulator nutzt Qulacs, eine der weltweit schnellsten Quantensimulator-Software, entwickelt von der Universität Osaka und der QunaSys Corporation. Das neue System ist aber auch mit anderer Quantensimulator-Software kompatibel. MPI (Message Passing Interface) ermöglicht die parallele und verteilte Ausführung von Qulacs. Und es realisiert einen Datentransfer, der die Netzwerkbandbreite durch Überlappung von Berechnung und Kommunikation maximiert. Fujitsu hat darüber hinaus eine neue Methode entwickelt, um die Qubit-Zustände im verteilten Speicher des Clusters entsprechend dem Fortschritt des Quantenschaltkreises und seiner Berechnung effizient neu anzuordnen, was zu einer Reduzierung der Kommunikationskosten beiträgt.

Komfortable Entwicklungsumgebung für Quantencomputing

Qiskit, eines der wichtigsten Entwicklungswerkzeuge für Quantencomputer-Software, ist für den Quantensimulator von Fujitsu verfügbar. Es bietet Entwicklern von Quantencomputing-Software eine komfortable Entwicklungsumgebung. Fujitsu plant in Zusammenarbeit mit QunaSys, die quantenchemische Berechnungssoftware Qamuy auf dem neuen Quantensimulator zur Verfügung zu stellen. Dadurch können die Ressourcen für die Durchführung von Hochgeschwindigkeits-Quantenchemieberechnungen bereitgestellt werden.

„Hochgeschwindigkeitssimulatoren mit Hilfe von Supercomputern sind von immer größerer Bedeutung für die Entwicklung von Quantensoftware und Quantenanwendungen, von denen die Leistung der Quantencomputer abhängt“, sagt Prof. Keisuke Fujii, Division of Advanced Electronics and Optical Science, Graduate School of Engineering Science der Universität Osaka. „Qulacs, eine Open-Source-Software, die von Entwicklern auf der ganzen Welt genutzt wird und die Technologie, die dem Supercomputer Fugaku zugrunde liegt, wurden kombiniert, um den weltweit schnellsten Quantensimulator zu realisieren. Wir sind überzeugt davon, dass er die zukünftige Entwicklung von Quantensoftware erheblich beschleunigen wird.“

„Quantencomputer haben das Potenzial, hochpräzise Berechnungen im Bereich der computergestützten Chemie durchzuführen, die klassische Computer nicht leisten können. Fujifilm wird diese gemeinsame Forschung als Machbarkeitsstudie zur Nutzung von Quantencomputern in den Materialwissenschaften durchführen“, sagt Yukihiro Okuno, Senior Researcher, Analysis Technology Center bei Fujifilm. (sg)

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