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2024-04-12 20:46:22
インサイダーブリーフ
- 富士通は、量子古典ハイブリッドアルゴリズムを高速化する量子シミュレータに関する新しい技術の開発を発表した。
- この技術は、以前のシミュレーションの 200 倍の計算速度を達成しました。
- 今回開発した技術により、複数のグループに分散して繰り返し実行される大量の量子回路計算を同時に処理することが可能となる。
プレスリリース — 富士通は、量子コンピュータの早期利用手法として提案されている量子古典ハイブリッドアルゴリズムを高速化する量子シミュレータ技術を開発し、これまでのシミュレーションの200倍の計算速度を達成したと発表しました。 従来の量子アルゴリズムと古典ハイブリッドアルゴリズムを用いた量子回路計算では、解く問題の規模に応じて量子回路計算回数が増加します。 材料や創薬分野でのシミュレーションなど、多くの量子ビットを必要とする大規模な問題には、数百日かかる場合もあります。
今回開発した技術により、複数のグループに分散して繰り返し実行される大量の量子回路計算を同時に処理することが可能となる。 富士通はまた、世界最大規模の量子シミュレータを使用して、精度の低下を少なくしながら大規模な問題を単純化する方法を考案しました。1）発展してきました。 富士通は、従来の方法では完了までに推定200日かかる量子シミュレータの計算をわずか1日で実行できるようにしました。 その結果、大規模な量子計算のシミュレーションを現実的な時間枠内で完了することが可能となり、量子と古典のハイブリッドアルゴリズムによって計算されるより大きな分子の挙動をシミュレーションすることが可能となり、アルゴリズムの開発につながります。
富士通は、本技術をハイブリッド量子コンピューティングプラットフォームに組み込むことで、金融や創薬などさまざまな分野での量子コンピュータの実用化研究を加速する予定です。 また、富士通は本技術を量子シミュレータへの適用だけでなく、実際の量子コンピュータにおける量子回路計算の高速化にも応用していきます。
背景
フォールトトレラントな量子コンピューター (FTQC (2））は現在世界的に進んでいますが、現在の量子コンピュータはノイズの影響を除去できないなど多くの課題を抱えています。 同時に、FTQCに先駆けて量子コンピュータの有用性を実証するため、ノイズ耐性が100～1,000量子ビット程度の中小型量子コンピュータ（ノイズ性中間スケール量子コンピュータ、NISQ）の実用化が検討されている。
VQEを適用することで（3) は典型的な NISQ アルゴリズムであり、たとえば富士通は量子アプリケーション開発用の量子シミュレータを開発しました (4) を開発し、量子回路計算そのものの高速化に取り組んできました。 しかし、VQEでは、問題のサイズが大きくなるにつれて量子回路の計算の反復回数が増加するため、特に多くの量子ビットを必要とする大規模な問題の場合、計算に非常に長い時間がかかり、数100回かかると見積もられています。量子シミュレーターの場合は数日。 そのため、量子アルゴリズムを実用化するのは困難でした。
新開発技術の概要
この課題に対し、富士通は、繰り返し実行される複数の量子回路計算を同時に分散し、精度劣化を抑えて量子回路計算量を削減することで、従来技術の200倍の高速化を実現する技術を開発しました。
量子回路の繰り返し計算を必要とする最適化プロセスの分散同時実行性
量子古典ハイブリッド アルゴリズムは、量子回路計算を実行するプロセスと量子回路パラメータを最適化するプロセスを交互に行うことにより、最低のエネルギー状態、たとえば分子の基底状態を提供する量子回路を探索します (5) 古典的なコンピューターを使用します。 しかし、古典コンピュータによる量子回路のパラメータ最適化では、パラメータの変化が少ない量子回路を多数用意し、それらすべてに対して順次量子回路計算を行い、その結果から最適なパラメータを導出する必要があります。 これには、特に大規模な問題の場合、計算にかなりの時間がかかります。 単に回路計算を高速化するためにノード数を増やすことは、従来は通信オーバーヘッドによって制限されており、新しい技術が必要でした。
富士通は、パラメータ変化の少ない量子回路を互いに影響を与えずに実行できることに着目し、量子シミュレータの計算ノードを複数のグループに分けてRPCを利用することで、グループごとに異なる量子回路を実行できる分散処理技術を開発した。 (6) ネットワーク経由で量子回路計算ジョブを送信する技術。 この技術を利用すると、パラメータの異なる複数の量子回路を同時に分散して計算することができ、計算時間を従来技術の70分の1に短縮することができます。
また、量子古典ハイブリッドアルゴリズムにおける計算量は解くべき問題の方程式の項数に比例し、項数は一般的なVQEにおける量子ビット数の4乗となるため、問題の規模が大きくなると計算量が増加し、現実的な時間では結果を得ることができなくなります。 富士通は、世界最大級の40量子ビット量子シミュレータの32量子ビットを用いた大きな分子のシミュレーションにより、規模が大きくなるにつれて全項数に占める係数の小さい項の割合が増加し、係数の小さい項の影響が大きくなることがわかった。計算の最終結果に対する係数は最小限です。 この特性を活かし、方程式の項数の削減と計算精度の劣化防止を両立し、量子回路の計算時間を約80％短縮することができました。
富士通は、これら2つの技術を組み合わせることで、32量子ビットの問題を1,024個の計算ノードを8グループに分けて分散処理することで、1台で32量子ビットの量子シミュレーション実行時間を実現できることを世界で初めて実証しました。以前の推定値 200 日と比較して、1 日です。 これにより、大量の量子ビットの問題に対する量子アルゴリズムの開発や、量子コンピュータの材料・金融分野への応用が進むことが期待されます。
富士フイルム株式会社 解析技術センター 主任研究員 奥野幸弘氏は次のようにコメントしています。 中でも、NISQ デバイスでの VQE の使用は重要な考慮事項です。 この高速化技術により、VQEアルゴリズムの原理検証が大幅に高速化されることが期待されます。」
東京エレクトロン株式会社デジタルデザインセンター副所長守屋剛氏は次のようにコメントしています。半導体製造プロセスにおける化学反応。 このプロセスを加速することで、VQE アルゴリズムの原理と有効性を迅速に検証し、その有用性を発見できるようになると期待しています。 ノイズやエラーによって使用が制限される NISQ デバイスは、これらの制限を考慮して検討されます。」
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#富士通量子シミュレータにおける量子回路計算を200倍高速化する技術を開発