富士通近日宣布，已經成功開發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上，能夠處理36量子位的量子電路。該系統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)"，其性能約為業內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量子計算應用的重要橋梁，使得這些應用在未來幾年內能夠投入實際使用。

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合研究。

展望未來，富士通將進一步加快量子計算機開發的步伐，力爭在2022年9月前開發出 40量子位模擬器，并與來自金融、藥物研發等領域的客戶一起展開量子計算應用的聯合研發。

富士通首席執行官、首席技術官Vivek Mahajan表示：“我們正站在計算技術新時代的邊緣。得益于數十年來在計算技術領域積累的領先專業知識，富士通成功開發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，為可持續發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節點集群系統。

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3.072 TFLOPS的理論峰值性能。它還配備了32GB內存，每秒1,024 GB的高帶寬，通過InfiniBand(*6)連接各節點的速度為每秒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)同時執行多個計算，使內存帶寬的性能達到最大化。

MPI（信息傳遞接口）(*10)實現了Qulacs的分布式并行運行，并通過重疊計算和通信實現了數據傳輸，使網絡帶寬最大化。富士通還開發了一種新的方法，能夠根據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)為量子軟件開發者提供了高度便利的開發環境，后者是當前量子計算機軟件的主要開發工具之一。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)，為執行各種高速量子化學計算提供資源支持。

與富士膠片的聯合研究項目概要

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合研究，共同開拓創新材料的設計方法。該聯合研究將利用富士通新開發的量子模擬器，研究和評估分子化學反應計算中量子計算的具體算法。

1、研究時間：2022年4月1日至2023年3月31日

2、研究目的：計算化學中的量子計算技術運用

3、研究內容：研究和評估量子計算在分子化學反應中的具體算法等。

4、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，以實現更大規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月前開發出40量子比特模擬器，并應用于金融和藥物研發領域。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，這是傳統計算機無法做到的。富士膠片將展開這項聯合研究，以作為將量子計算機應用于材料科學的可行性研究。

[1] PRIMEHPC FX 700 :

由富士通生產的超級計算機，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的開源量子電路模擬軟件；由QunaSys公司負責新功能開發和維護。

[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；總裁兼首席執行官：後藤禎一

[6] Infiniband :

一種主要用于服務器互聯的超級計算機網絡。它提供一個雙向的串行連接通信系統，能夠通過使用捆綁的多個通道實現高速帶寬。

[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；首席執行官：Tien Yang

[9] SVE（Scalable Vector Extension）指令 :

一種CPU指令，用一條指令并行執行多個操作。

[10]MPI（信息傳遞接口） :

通信API，用于編寫并行計算機。

[11]Qiskit :

由IBM開發的量子軟件開發工具，并作為開源代碼公布。

[12]與QunaSys的合作 :

"量子計算機創業公司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化為量子電路，可以無縫在模擬器或實際機器上進行計算。