Fujitsu entwickelt den weltweit schnellsten 36-Qubit-Quantensimulator

Fujitsu hat erfolgreich den weltweit schnellsten Quantencomputer-Simulator entwickelt. Mit einer theoretischen Spitzenleistung von 3,072 Teraflops. [...]

Auf einen Blick:

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

Der neu entwickelte Quantensimulator kann die Quantensimulator-Software „Qulacs“ mit hoher Geschwindigkeit parallel ausführen und erreicht bei 36 Qubit-Quantenoperationen etwa die doppelte Leistung anderer namhafter Quantensimulatoren.

Der neue Quantensimulator von Fujitsu wird als wichtige Brücke zur Entwicklung von Quantencomputeranwendungen dienen, die in den kommenden Jahren in der Praxis zum 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 Quantenanwendungen, das auf Quantensimulatoren entwickelt wurde, in die Entwicklung von Quantencomputern einbringen.

Mit Hilfe der Quantentechnologie sollen frühzeitig Lösungen für gesellschaftliche Probleme gefunden werden können. 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 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, um 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“, so Dr. Joseph Reger, Chief Technology Officer Central & Eastern Europe von Fujitsu.

„In Zukunft wollen wir diesen neuen Quantensimulator zur Unterstützung unserer Kunden nutzen, die Entwicklung von Quantenanwendungen beschleunigen und letztlich zu einer nachhaltigeren Welt beitragen, indem wir Lösungsansätze für gesellschaftliche Probleme entwickeln.“

Die Technik im Detail:

Fujitsu hat einen parallelen und verteilten Quantensimulator für ein Clustersystem entwickelt, das aus 64 Knoten auf Fujitsus PRIMEHPC FX 700 besteht.
Der PRIMEHPC FX 700 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-Softwares, 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 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.

Qiskit, eines der wichtigsten Entwicklungswerkzeuge für Quantencomputer-Software, ist für den Quantensimulator von Fujitsu verfügbar und bietet Entwicklern von Quantensoftware eine komfortable Entwicklungsumgebung. Fujitsu plant in Zusammenarbeit mit QunaSys, die quantenchemische Berechnungssoftware Qamuy des Unternehmens auf dem neuen Quantensimulator zur Verfügung zu stellen, um die Ressourcen für die Durchführung von Hochgeschwindigkeits-Quantenchemieberechnungen bereitzustellen.