富士通が量子とHPCのハイブリッド計算技術を開発
まず量子化学計算へ適用、計算精度と計算時間を最適化
2022.11.09−富士通は8日、通常のHPC（ハイパフォーマンスコンピューティング）によるアルゴリズムと、量子コンピューター向けの量子アルゴリズムを組み合わせて自動的にハイブリッド計算する技術を世界で初めて開発したと発表した。まずは、材料開発などで多用される量子化学計算をターゲットとし、計算精度と計算時間の最適なバランスで解が得られるよう、両方のアルゴリズムを自動的に使い分けられるようにする。世界最大級の39量子ビットの量子コンピューターシミュレーターが本格的に利用できるようになる来年度中に、今回の技術に基づくサービス提供を開始したいとしている。
富士通では、現実の量子コンピューターや、アニーリング技術などの量子インスパイアードコンピューター、またスーパーコンピューターのようなHPCなど、利用者のニーズに合った計算資源を人工知能（AI）が適切に判断し、複雑な問題であっても量子などの専門知識なしに高速かつ高精度な計算を可能にする「Computing Workload Broker」の実現を目指している。複数のハードウエアデバイス単位の計算処理最適化や、プラットフォーム単位の計算配分最適化などの自動化を可能にし、「ユーザーが解きたい問題を速く、安く、正しく解く」ことを目指しているという。
今回開発した技術は「Computing Workload Broker」の先駆けとなるもので、開発中の量子シミュレーターと、富岳と同じCPU「A64FX」を搭載した「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX700」を利用し、量子化学計算の問題に応じて最適な計算手法をAIが自動で組み合わせて選択するもの。これにより、ユーザーは専門的な知識がなくとも、解きたい問題に対して最適なかたちで量子シミュレータとHPCを駆使できることになる。
今回、量子アルゴリズムの有効性が確定しているとされ、需要も多い量子化学計算をターゲットに決めた。量子化学計算で用いられるアルゴリズムでは、精度の高い解を得るまで何度も反復計算をする必要があり、原子間の距離の変化にともなって、量子もしくはHPCのどちらのアルゴリズムが最適なのかを適切に判断できない問題があった。そこで、例えばHPCアルゴリズムで収束性のパターンをみて計算精度が低くなっていると判断すると、量子アルゴリズムに切り替えて計算を続行することで、全体の精度を維持することが可能。第１として、このような「アルゴリズム判別技術」を開発した。
一方で、量子化学計算では無数に存在する分子構造ごとの収束性の正確な推定が難しく、事前に精度の高い解を得るための時間や費用の見積もりが困難なことが課題だった。そこで、独自の適応型AI技術を用いて、分子構造とアルゴリズムの反復計算と計算時間の関係性を学習することで、事前に計算量を推定可能なAIモデルを構築し、第２の技術として「計算時間推定技術」を開発。精度の高い解が得られるまでの計算量をもとに必要な時間や費用を算出できるようにした。以上の２つの技術を組み合わせることにより、希望する時間内でベストな解が得られるように、量子とHPCのハイブリッド計算を自動実行することが可能になる。事業化される際には、クラウド上で計算資源を利用できる「Fujitsu Computing as a Service」（CaaS）で商用化されると考えられる。
量子コンピューターやHPCのハードウエア層だけでなく、上位層の各アルゴリズムまでを自動で組み合わせて最適計算を可能にした点で、世界初だという。
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