クオンティヌーム（Quantinuum）と理化学研究所（RIKEN）は、日本のスーパーコンピュータ「富岳」と、クオンティヌームが理化学研究所内に設置したオンプレミスのReimei超伝導量子コンピュータを連携させた、統合的な量子古典ハイブリッドワークフローの実証に成功しました。この成果は、「生体分子励起状態エネルギーの量子HPCハイブリッド計算」と題されたarXivのプレプリントで詳細が説明されており、この共同研究では、高性能な古典計算ノードと物理的な量子コプロセッサを直接アクセス可能なAPI経由で統合し、層状電子構造計算を実行して生体分子の励起状態をシミュレーションしました。
| 富岳-Reimei ハイブリッド量子HPCアーキテクチャ＆ベンチマークプロファイル | ||
|---|---|---|
| システム次元 | 技術仕様 | 運用役割とパフォーマンス指標 |
| 古典インフラストラクチャ | スーパーコンピュータ富岳（96 A64FXコンピューティングノード） | NTChemスイートを介した幾何学最適化、ハートリー・フォック、配置間相互作用シングルを実行。 |
| 量子コプロセッサ | クオンティヌーム Reimei（20個のイオントラップ物理量子ビット） | 理化学研究所内に設置された、全対全接続を持つ16個の論理量子ビットを展開。 |
| ワークフローオーケストレーション | TierkreisデータフローフレームワークとTKETコンパイル | 富岳のワークロードマネージャーとReimeiの直接アクセスAPI間の非同期ジョブスケジューリングを管理。 |
| 化学モデル | 減算型ONIOM（QM1/QM2）分割 | 弱相関環境モード（カーボンナノチューブ壁）と強相関活性部位（レチナール）を分離。 |
| 量子アルゴリズム | 時間発展量子選択CI（TE-QSCI） | トロッター化された時間発展下でクリロフ部分空間配置をサンプリングし、古典アクティブスペースベースラインを拡張。 |
| エラー検出 | [[18, 16, 2]]「アイスバーグ」コードと事後選択 | 12,214回の物理測定ショット全体で67.9%の平均生存率で重み1エラーを検出。 |
| 目標精度 | 励起状態忠実度 ≥ 0.995（S1およびT0） | 古典ベースラインの励起エネルギー誤差を、完全CASCI(8,8)と比較して0.18 eVから0.03 eVに削減。 |
視覚受容における光異性化や酵素触媒作用などの複雑な化学反応のシミュレーションは、構造的な課題を抱えています。すなわち、反応性の高い活性部位は高レベルの量子力学的処理を必要とする強い多配置電子相関を示しますが、周囲の分子骨格は大きいものの相関は弱いのです。このプロジェクトは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のイニシアチブの下で委託され、ONIOM（Our own N-layered Integrated molecular Orbital and Molecular mechanics）計算フレームワーク内で、古典スーパーコンピューティングと量子コプロセッシングをペアリングすることで、この境界問題を解決しました。
このワークフローでは、96個の富岳ノードが初期分子構造最適化を実行し、カーボンナノチューブマトリックスに埋め込まれたレチナール分子のベースライン環境エネルギー寄与を評価しました。強相関活性部位を計算するために、システムはReimei上でTE-QSCIを展開しました。このアルゴリズムは、単一参照アンザッツ状態に依存するのではなく、16個の論理量子ビット上で近似的な完全アクティブスペース波動関数を初期化し、ターゲット電子ハミルトニアンの下でそれを時間発展させました。このプロセスにより、クリロフ部分空間を介して電子配置がサンプリングされ、その後、部分空間ハミルトニアン行列対角化のために富岳に返されました。
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