理研とIBMは、富岳スーパーコンピュータの全容量とオンプレミスのIBM Quantum Heronプロセッサを活用した閉ループハイブリッドワークフローの実行に成功した。この実証は量子中心スーパーコンピューティング(QCSC)におけるマイルストーンであり、158,976ノード、760万コア以上を擁するプレエクサスケール級の古典システム全体が量子ハードウェアと継続的に連携して動作した。共同チームはこの統合インフラストラクチャを用いて複雑な鉄硫黄分子の電子構造を計算し、量子コンピュータ上でこれまでに実行された中で最大かつ最も正確な化学シミュレーションを達成した。
実験の技術的核心は、従来の逐次処理における高レイテンシを克服するために設計された閉ループオーケストレーションシステムにあった。このモデルでは、スーパーコンピュータとQPUの間でデータが途切れることなくやり取りされ、両リソースのアイドル時間が最小化される。研究者らは古典タスクと量子タスクの相互依存性を管理するための専用タスク割り当てシステムを開発した。このシステムにより、Heronプロセッサが特定の計算ステップを実行している間も、富岳の数十億ドル規模の古典インフラストラクチャがアクティブな状態を維持することが保証され、これはHPC-量子統合の経済的実行可能性にとって不可欠であった。
チームは電子構造問題を解くためにサンプルベース量子対角化(SQD)アルゴリズムを採用した。SQDは、問題を異なる計算リソースに最適化されたセグメントに分割する新しいクラスのハイブリッドアルゴリズムの一部である。この場合、IBM Quantum Heronプロセッサは分子の電子の膨大な配置空間をサンプリングし、最も関連性の高い量子状態を特定するために使用された。富岳スーパーコンピュータはその後、このサンプリングデータを用いて最終的な対角化を実行し、解に向かって推進した。事実上、問題の最も複雑な部分を量子リソースで解き放ち、古典システムが大容量データ処理を担当する形となった。
シミュレーションの対象は鉄硫黄分子[Fe₂S₂(SH)₄]²⁻であり、その複雑な電子分布のためモデル化が非常に困難なことで知られている。富岳-Heronループによって達成された精度は以前の量子による試みを上回り、最も高度な古典近似法に匹敵することが証明された。この高い精度水準は、QCSCが既に厳密な古典手法の限界付近またはそれを超える分子問題に取り組むことができることを実証し、材料科学や創薬への応用のための実用的な枠組みを提供している。
今後について、研究者らはタスク割り当てシステムが様々なクラウドベースのHPC環境と互換性があることを確認しており、このモデルが専門的な実験室セットアップを超えてスケーラブルであることを示唆している。理研-IBMロードマップの次の段階では、GPUを統合してハイブリッドループをさらに加速し、実行時間を短縮することが含まれる。CPU、GPU、QPU間の相互作用を最適化することで、チームは本年中に産業規模の化学・物理シミュレーションにおける量子優位性への明確な道筋を確立することを目指している。
SQDアルゴリズムと富岳-Heron統合に関する完全な技術詳細については、IBM Researchの公式ブログを参照されたい。
2026年3月11日
