量子・HPC連携のための
システムソフトウェアの研究開発

スーパーコンピュータや量子コンピュータでは、「ジョブ」と呼ばれる形でユーザのプログラムを実行します。スーパーコンピュータや量子コンピュータには、それぞれジョブスケジューラと呼ばれるソフトウェアがあり、多数のユーザからのさまざまなジョブに対して、ユーザ間の公平性を保ちつつコンピュータ全体の利用率を上げるように制御しています。量子コンピュータとスーパーコンピュータの両方を比較的独立して利用する場合、それぞれのコンピュータにジョブを投入し、ジョブスケジューラがこれらのジョブを実行するのを待つということが、両方のコンピュータ全体の利用率を上げることに役立ちます。このように量子コンピュータのジョブの結果を利用して、スーパーコンピュータの計算を行うといった場合には、それぞれのジョブスケジューラを監視しつつ、ジョブの実行順序を制御するようなワークフローエンジンが必要になります。そこで本項目では、量子コンピュータとスーパーコンピュータを横断的に利用できるワークフローエンジンを開発します。

そこで（２）の遠隔手続き呼び出しの仕組みを作り、スーパーコンピュータから量子コンピュータへ依頼される仕事と、ユーザや（１）のワークフローの枠組みから量子コンピュータへ依頼する仕事の優先度を制御するための量子計算リクエストスケジューラを制作します。

量子計算リクエストスケジューラは、量子コンピュータをサポートするための量子コンピュータ・バックエンドと呼ばれる汎用サーバの前に位置していますが、我々の量子HPC連携プラットフォームにおいて、量子コンピュータに対するすべての仕事の依頼は、いったん量子計算リクエストスケジューラを経由します。すると量子計算リクエストスケジューラは、スーパーコンピュータから量子コンピュータに依頼された仕事を、スーパーコンピュータ以外から依頼された仕事よりも先に実行するように制御します。これは、量子コンピュータへの仕事の依頼がたくさんある場合に、スーパーコンピュータが依頼した仕事が「順番待ち」の状態になり、スーパーコンピュータ自体がアイドル状態、すなわち何もせずに時間を消費する状態になってしまうことを防ぐためです。そこでスーパーコンピュータから量子コンピュータへの依頼を最優先で実行することで、スーパーコンピュータと量子コンピュータを同時に利用することに近い環境を提供します。このような高い優先度は、スーパーコンピュータと量子コンピュータの両方で、強い関連性を持つタスクを複数実行するようなアプリケーションにのみ許されます。

量子計算リクエストスケジューラは他にもスーパーコンピュータからの仕事の依頼が正当な依頼者、つまりスーパーコンピュータと量子コンピュータの両方の利用権利を持つユーザからのものであるかどうかを確認する認証機能も持ちます。

またスーパーコンピュータから量子コンピュータへ仕事を依頼するためには、量子計算リクエストスケジューラとなんらかの方法で通信をする必要がありますが、このための通信ライブラリやインターフェースも開発します。

量子コンピュータの利用には量子ソフトウェア開発キット（量子SDK）が利用されています。Qiskit、Qibo、cuQuantum 等に代表される量子SDKは、量子コンピュータ上での量子回路の実行をサポートするのみならず、量子回路のトランスパイル、量子回路の最適化、量子回路の実行結果に対するエラー訂正やエラー緩和、などのさまざまな機能を持っています。これらの機能をスーパーコンピュータに移植することで、これまでの量子コンピュータのユーザが、量子HPC連携プラットフォームを容易に利用可能になります。このために、遠隔手続き呼び出しのソフトウェアと量子SDKの連携を可能とするような拡張を行います。

さらに、これらの量子SDKの機能は量子コンピュータのqubit数が大きくなるにつれ、より多くの計算資源を必要とすることが予想されます。スーパーコンピュータを利用することで、大規模な量子回路最適化、量子回路のトランスパイル、エラー訂正やエラー緩和を可能にします。