論文の概要: Demonstration of Parallel Multi-QPU Execution for Fragment-Based Quantum Chemistry Using On-Premises Hardware
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.07702v1
- Date: Tue, 06 Oct 2026 03:52:10 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-10-08 02:58:29.790326
- Title: Demonstration of Parallel Multi-QPU Execution for Fragment-Based Quantum Chemistry Using On-Premises Hardware
- Title（参考訳）: オンプレミスハードウェアを用いたフラクチャーベース量子化学のための並列マルチQPU実行の実証
- Abstract要約: フラグメント分子軌道(FMO)量子化学は並列量子コンピューティングへの自然な経路を提供する。
オークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング・ファシリティ(Oak Ridge Leadership Computing Facility)の現場に設置された3つの室温ダイヤモンドベースの量子コンピュータ「Quoll」の並列FMO計算を実演する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.257337476874319
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Fragment molecular orbital (FMO) quantum chemistry offers a natural route to parallel quantum computing: large molecular calculations can be decomposed into smaller quantum subproblems that can, in principle, run concurrently. Their practical benefit on real quantum hardware, however, has remained unclear. We demonstrate parallel FMO calculations on three room-temperature diamond-based 'Quoll' quantum computers installed on-site at the Oak Ridge Leadership Computing Facility. Helium clusters (He$_{n}$, $n=2,4,8,10,14$) served as a testbed for total energy calculations using the Quantum Wave Function Sampler (QWFS), a selected configuration interaction (SCI) approach. We compare two execution modes: synchronous shot-parallel execution, in which quantum processors jointly sample QWFS circuits and combine their SPAM-corrected counts into a single probability distribution; and asynchronous fragment-parallel execution, in which processors independently evaluate FMO fragments using device-specific optimized circuits. Both modes increase quantum sampling throughput without systematic loss of accuracy. The three-QPU shot-parallel workflow reaches a parallel efficiency of $93.60\%$, while the fragment-parallel workflow achieves a measured efficiency of $75.01\%$, increasing to $95.17\%$ when excluding the non-useful idle time associated with non-interruptible submitted jobs. In both cases, the assembled FMO-QWFS energies remain chemically accurate compared to the classical ideal. These results provide a proof-of-concept demonstration that parallel quantum execution can improve the practical throughput of quantum chemistry workflows on prototype hardware, motivating the development of future HPC environments with many fault-tolerant quantum processors operating as a distributed resource for molecular and materials simulation.
- Abstract（参考訳）: フラグメント分子軌道(FMO)量子化学は、並列量子コンピューティングへの自然な経路を提供する。
しかし、実際の量子ハードウェアにおけるそれらの実用的利点はいまだに不明である。
オークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング・ファシリティ(Oak Ridge Leadership Computing Facility)の現場に設置された3つの室温ダイヤモンドベースの量子コンピュータ「Quoll」の並列FMO計算を実演する。
ヘリウムクラスター(He$_{n}$, $n=2,4,8,10,14$)は、選択された構成相互作用(SCI)アプローチである量子波関数サンプリング(QWFS)を用いた全エネルギー計算のためのテストベッドとして機能した。
同期ショット並列実行では、量子プロセッサが共同でQWFS回路をサンプリングし、SPAM補正カウントを単一確率分布に組み合わせ、非同期フラグメント並列実行では、プロセッサがデバイス固有の最適化回路を使用してFMOフラグメントを独立して評価する。
どちらのモードも、精度の体系的な損失なしに量子サンプリングスループットを向上させる。
3QPUショット並列ワークフローは、並列効率が9,3.60 %、フラグメント並列ワークフローは75.01 %$に達し、断続的でないジョブに関連付けられないアイドル時間を除くと、95.17 %$に増加する。
どちらの場合も、組み立てられたFMO-QWFSエネルギーは古典的イデアルと比較して化学的に正確である。
これらの結果は、並列量子実行がプロトタイプハードウェア上での量子化学ワークフローの実用的なスループットを向上させることを示し、多くのフォールトトレラント量子プロセッサが分子・材料シミュレーションの分散リソースとして動作する将来のHPC環境の開発を動機付けている。
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