IBMは量子中心スーパーコンピューティング(QCSC)のリファレンスアーキテクチャを発表した。これは量子処理ユニット(QPU)を高性能計算(HPC)環境に統合するための技術的フレームワークである。このモジュラー型の設計図は、QPU、グラフィックス処理ユニット(GPU)、中央処理ユニット(CPU)が統合されたスタックとして動作し、化学、材料科学、最適化における計算問題に対処する方法を定めている。このアーキテクチャは4つの機能層で構成されている:アプリケーション層、アプリケーションミドルウェア、システムオーケストレーション、ハードウェアインフラストラクチャであり、手動によるワークロード管理を自動化された協調ワークフローに置き換えるよう設計されている。
アプリケーション層はライブラリを利用して複雑な問題を古典実行と量子実行のセグメントに分解し、ミドルウェア層は必要なプログラミングモデルを提供する。IBMはQiskitソフトウェアエコシステムを使用してこれらのセグメントをハードウェア最適化された量子回路に変換し、MPI、OpenMP、SHMEMなどの標準的な古典プロトコルで補完している。Qiskit v2.0およびv2.1のリリースでは、C言語の外部関数インターフェースとExecutorプリミティブが導入され、カスタム古典ハードウェアとの深い統合と高度なエラー軽減技術が可能になった。このミドルウェアは、サンプルベースクリロフ量子対角化(SKQD)やサンプルベース量子対角化(SQD)などの反復ハイブリッドアルゴリズムに必要な通信を促進する。
システムオーケストレーションは量子リソース管理インターフェース(QRMI)を通じて管理される。これはオープンソースでベンダー非依存のライブラリであり、リソース取得とタスク監視のためのハードウェア固有の詳細を抽象化する。QRMIはSPANKプラグインを介してSlurmのような既存のワークロードマネージャと統合することで、ハイブリッドジョブにおいて量子リソースを古典ノードと並行してスケジュールできるようにする。このオーケストレーション層は量子回路の実行時間スケールを管理し、エラー軽減やリアルタイムエラー訂正によって生じる可能性のある遅延を考慮する。この統合により、研究者は以前は手動介入を必要としていた異なるシステム間のジョブスケジューリングとデータ転送を自動化できる。
ハードウェアインフラストラクチャは、近接性と相互接続レイテンシに基づいて3つの統合レベルに分類される:量子システム、パートナーのスケールアップ同一場所設置システム、パートナーのスケールアウトシステムである。最内層にはQPUと、回路中測定などの低レイテンシ動作のためのFPGAやASICを特徴とする古典ランタイムが含まれる。スケールアップシステムは、集中的なエラー検出と軽減をサポートするため、RDMA over Converged InternetやNVQLinkなどのニアタイム相互接続を介して量子ハードウェアに接続される。スケールアウトシステムは、より広範な前処理および後処理タスクのために高帯域幅相互接続でリンクされたクラウドベースまたはオンプレミスのCPUおよびGPUクラスタで構成される。
QCSCアーキテクチャの技術的検証は、クリーブランドクリニックによる303原子のトリプトファンケージタンパク質のシミュレーションや、理研による富岳スーパーコンピュータとIBM Quantum Heronプロセッサを使用した鉄硫黄クラスターの計算など、いくつかの科学的ユースケースを通じて確立されている。マンチェスター大学、オックスフォード大学、ETHチューリッヒ、EPFL、レーゲンスブルク大学が関与するその他の協力では、このフレームワークを利用して工学的に設計された分子の電子構造を検証した。QCSCの進化ロードマップは3つのフェーズを特定している:専門的な計算オフロードエンジンとしての量子システム、高度なミドルウェアを通じて結合された異種システム、ハイブリッド計算ワークフローのための完全に共同設計されたハードウェア・ソフトウェアアーキテクチャである。
完全な技術設計図とロードマップについては、IBM公式プレスリリース、IBM Researchブログ、技術ノート、およびarXiv上の完全な技術論文を参照されたい。
2026年3月12日
