| 講演名 | 2023-01-24 状態ベクトル方式量子コンピュータシミュレータQulacsのFPGAへの実装 天野 英晴(慶大), Wei Kaijie(慶大), 三好 健文(わさらぼ), 山口 佳樹(筑波大), 庭瀬 稜平(筑波大), |
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| 抄録(和) | 量子ゲート方式の量子コンピュータのシミュレーションは、現在の実機がノイズや制御のエラーが多いことから量子アルゴリズム開発者にとって不可欠である。このうち、状態ベクトル方式は中間結果を含めて、量子ビットの状態を忠実に再現できるが、nbit の量子状態に対して2のn+4B のメモリを必要とすることから、量子ビット数が30を越える範囲から実行が困難になる。本稿では、ストレージ用FPGA ボードTrefoil 上に量子コンピュータシミュレータを実装することを提案し、予備的実装として、M-KUBOS クラスタに高速量子コンピュータシミュレータQulacs を実装した。H, S, CNOT と2 量子ゲートの一般的な演算を28qubit で実行して評価を取ったところ、Ryzen サーバーに比べて1/4 程度の実行性能となった。バッファと並列演算を利用した最適化により同等レベルの性能が実現できたが、資源利用量が多いことから将来のTrefoil での実装ではさらに工夫が必要である。また、2 枚で29 qubit のシミュレーションを行った結果、ほとんど実行時間が増えないことを確認した。 |
| 抄録(英) | Quantum computer simulation is indispensable for quantum algorithm research since the results of realquantum computers are influenced by noise and inaccurate controls. Although state vector simulations can show allstates of qubits during computation, they require 2n+4B memory to store all states. Thus, the simulation with morethan 30 qubits is challenging to be executed. This paper proposes to use a Trefoil FPGA board with an extensivestorage system for the quantum simulation. Since Trefoil is not available now, we implemented a high-speed quantumsimulator Qulacs, on M-KUBOS FPGA cluster. The performance of H gate, S gate, CNOT gate, and a dense matrixcomputation for 28-qubit was approximately 1/4 of that of the Ryzen server. By introducing buffering and parallelcomputation techniques, the performance was improved to a similar level to that of the server. The simulation with29-qubit is almost the same execution time as 28-qubit when two boards are used in parallel. |
| キーワード(和) | 量子コンピュータシミュレーション / マルチFPGA システム / 状態ベクトル方式 |
| キーワード(英) | Quantum computer simulation / Multi-FPGA systems / State vector method |
| 資料番号 | VLD2022-72,RECONF2022-95 |
| 発行日 | 2023-01-16 (VLD, RECONF) |
| 研究会情報 | |
| 研究会 | IPSJ-SLDM / RECONF / VLD |
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| 開催期間 | 2023/1/23(から2日開催) |
| 開催地（和） | 慶応義塾大学 日吉キャンパス 来往舎2階大会議室 |
| 開催地（英） | Raiosha, Hiyoshi Campus, Keio University |
| テーマ（和） | FPGA 応用および一般 |
| テーマ（英） | FPGA Applications, etc. |
| 委員長氏名（和） | 越智 裕之(立命館大) / 佐野 健太郎(理研) / 池田 奈美子(NTT) |
| 委員長氏名（英） | Hiroyuki Ochi(Ritsumeikan Univ.) / Kentaro Sano(RIKEN) / Minako Ikeda(NTT) |
| 副委員長氏名（和） | / 山口 佳樹(筑波大) / 泉 知論(立命館大) / 中武 繁寿(北九州市大) |
| 副委員長氏名（英） | / Yoshiki Yamaguchi(Tsukuba Univ.) / Tomonori Izumi(Ritsumeikan Univ.) / Shigetoshi Nakatake(Univ. of Kitakyushu) |
| 幹事氏名（和） | 川村 一志(東工大) / 今川 隆司(明大) / 細田 浩希(ソニーセミコンダクタソリューションズ) / 田中 勇気(日立) / 小林 悠記(NEC) / 佐藤 幸紀(豊橋技科大) / 宮村 信(ナノブリッジ・セミコンダクター) / 今井 雅(弘前大) |
| 幹事氏名（英） | Kazushi Kawamura(Tokyo Inst. of Tech.) / Takashi Imagawa(Meiji Univ.) / Hiroki Hosoda(Sony Semiconductor Solutions) / Yuki Tanaka(HITACHI) / Yuuki Kobayashi(NEC) / Yukinori Sato(Toyohashi Univ. of Tech.) / Makoto Miyamura(NBS) / Masashi Imai(Hirosaki Univ.) |
| 幹事補佐氏名（和） | / 竹村 幸尚(インテル) / 長名 保範(琉球大学) / 西元 琢真(日立) |
| 幹事補佐氏名（英） | / Yukitaka Takemura(INTEL) / Yasunori Osana(Ryukyu Univ.) / Takuma Nishimoto(Hitachi) |
| 講演論文情報詳細 | |
| 申込み研究会 | Special Interest Group on System and LSI Design Methodology / Technical Committee on Reconfigurable Systems / Technical Committee on VLSI Design Technologies |
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| 本文の言語 | JPN |
| タイトル（和） | 状態ベクトル方式量子コンピュータシミュレータQulacsのFPGAへの実装 |
| サブタイトル（和） | |
| タイトル（英） | Implementing a quantum computer simulator Qulacs on FPGAs |
| サブタイトル（和） | |
| キーワード(1)（和/英） | 量子コンピュータシミュレーション / Quantum computer simulation |
| キーワード(2)（和/英） | マルチFPGA システム / Multi-FPGA systems |
| キーワード(3)（和/英） | 状態ベクトル方式 / State vector method |
| 第 1 著者 氏名（和/英） | 天野 英晴 / Hideharu Amano |
| 第 1 著者 所属（和/英） | 慶應義塾大学(略称：慶大) Keio University(略称：Keio Univ.) |
| 第 2 著者 氏名（和/英） | Wei Kaijie / Wei Kaijie |
| 第 2 著者 所属（和/英） | 慶應義塾大学(略称：慶大) Keio University(略称：Keio Univ.) |
| 第 3 著者 氏名（和/英） | 三好 健文 / Takefumi Miyoshi |
| 第 3 著者 所属（和/英） | わさらぼ合同会社(略称：わさらぼ) Wasalabo(略称：Wasalab.) |
| 第 4 著者 氏名（和/英） | 山口 佳樹 / Yoshiki Yamaguchi |
| 第 4 著者 所属（和/英） | 筑波大学(略称：筑波大) University of Tsukuba(略称：U.niv. of Tsukuba) |
| 第 5 著者 氏名（和/英） | 庭瀬 稜平 / Ryohei Niwase |
| 第 5 著者 所属（和/英） | 筑波大学(略称：筑波大) University of Tsukuba(略称：U.niv. of Tsukuba) |
| 発表年月日 | 2023-01-24 |
| 資料番号 | VLD2022-72,RECONF2022-95 |
| 巻番号（vol） | vol.122 |
| 号番号（no） | VLD-353,RECONF-354 |
| ページ範囲 | pp.74-79(VLD), pp.74-79(RECONF), |
| ページ数 | 6 |
| 発行日 | 2023-01-16 (VLD, RECONF) |