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Quantum ComputingResearch

QSIM-YAMATO — GPU-Accelerated Quantum Circuit Simulator

QSIM-YAMATO — GPU-Accelerated Quantum Circuit Simulator

An internal R&D prototype of a GPU-accelerated quantum circuit simulator built on NVIDIA cuQuantum (cuStateVec / cuTensorNet). Used to evaluate variational quantum algorithms (VQE / QAOA) at ≤32 qubits via classical simulation for NISQ-era design exploration. This is classical simulation — not real quantum hardware.

2026 R&D (long-term) 2026-04
#quantum#simulation#gpu#vqe#qaoa#research

Live Demo

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DEMO
app.qsim.jp/dashboard

古典シミュレーション (Classical simulation) · 量子優位性の主張なし · NVIDIA cuQuantum SDK + Qiskit Aer 準拠

最大量子ビット
32 qubits

GPU 80GB VRAM

実行時間 (depth=40)
4.2 s

RTX 4090 · FP32

深さ制限
120

Trotter step 対応

シード再現性
決定論的

完全シード固定

バックエンド選択

回路構造に応じた最適エンジン

Qiskit / CUDA-Q 互換
量子回路 (6 qubits × 10 depth)
q0
H
RZ
H
q1
H
RZ
H
RZ
q2
H
RZ
q3
H
H
RZ
q4
RZ
H
H
H
q5
H
H
RZ

状態ベクトル振幅 |⟨x|ψ⟩|²

上位16基底状態のみ表示 · 全2^6=64状態のサンプリング

0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111

Bloch 球

|0⟩|1⟩
θ0.74 rad
φ1.12 rad
忠実度0.9987

Challenge

State-vector simulation memory scales as 2^n, so single-node RAM caps practical circuits around 28 qubits. Existing Python frameworks (Qiskit Aer / Cirq) also expose gate-application overhead and host-device transfer costs when switching to GPU backends, while tensor-network contraction strategy still relied on manual choices.

Solution

A hybrid backend dispatches between cuStateVec (state vector ≤30 qubits) and cuTensorNet (sparse circuits >30 qubits). Qiskit 2.x / Cirq IR is lowered through OpenQASM 3, and contraction paths are auto-selected via opt_einsum + cuTensorNet. VQE classical optimizers (SciPy L-BFGS-B and Optuna CMA-ES) are pluggable.

Results

  • 26-qubit random circuits: 14–22× faster state-vector updates vs. Qiskit Aer CPU on A100 80GB (internal benchmark, classical simulation only)
  • VQE convergence on H2 / LiH cut evaluation count by ~35% with CMA-ES (in simulation)
  • Shallow 40-qubit QAOA expectation values estimated via cuTensorNet auto-contraction (classical approximation, not hardware-equivalent)
  • Full experiment metadata — circuits, seeds, backend — logged to MLflow for reproducibility
Key Metrics

Measured Impact

対象 qubit 上限 (state vector)

32 qubit

対象 qubit 上限 (tensor network)

~40 qubit (疎結合)

対象ハードウェア

古典 GPU (A100 80GB)

実機実行

未対応 (Phase 4 計画)

Features

What it does

シミュレーション

状態ベクトル / テンソルネットワーク切替

回路深さと qubit 数から自動で cuStateVec / cuTensorNet を選択し、メモリ超過を回避する。

ノイズチャネル (開発中)

デポラライズ・位相反転・振幅減衰を密度行列モードで適用できる設計を進めている。

アルゴリズム

VQE / QAOA テンプレート

小分子ハミルトニアンと Max-Cut を題材に、古典オプティマイザをプラガブルに切替可能。

等価性テスト

IR 変換後の回路と元回路の出力分布を統計的に比較し、バックエンド間の整合性を保証する。

Architecture

System Layers

Layered architecture showing components, responsibilities, and data flow.

L1

Layer

Frontend IR

利用者が記述する量子回路を共通 IR に正規化し、ゲートセットとトポロジ制約を明示化する層。

Qiskit 2.xCirqOpenQASM 3 Parser
L2

Layer

Simulation Backend

状態ベクトル / テンソルネットワーク / CPU 参照の三系統で古典シミュレーションを実行する層。実機ではない。

cuStateVeccuTensorNetQiskit Aer (参照実装)
L3

Layer

Experiment Tracking

回路・パラメータ・シード・ハードウェア構成を含む実験メタデータを永続化し再現性を担保する層。

MLflowOptunaParquet Store
Development Process

How we built it

Step 1

文献・ライブラリ調査

cuQuantum / Qiskit Aer / Pennylane-Lightning の性能特性を比較し、対象問題クラス別の適用範囲を整理する。

Deliverables

  • 調査メモ
  • ベンチ計画書
  • 対象問題リスト
Step 2

IR 変換層の実装

Qiskit / Cirq 回路を OpenQASM 3 を経由して統一 IR に変換し、バックエンド切替時の等価性テストを整備する。

Deliverables

  • 変換ライブラリ
  • 等価性テスト
  • CI パイプライン
Step 3

GPU カーネル統合

cuStateVec / cuTensorNet を薄い Python ラッパから呼び出し、メモリ転送と縮約パス探索のプロファイルを取る。

Deliverables

  • ベンチスクリプト
  • プロファイル結果
  • 最適化メモ
Step 4

実験再現性の整備

MLflow によるメタデータ管理、Docker イメージ固定、CUDA / ドライババージョン記録を標準化する。

Deliverables

  • MLflow スキーマ
  • Dockerfile
  • 再現手順書
Roadmap

Delivery Timeline

  • Phase 1In Progress2026-04

    バックエンド抽象化

    Qiskit / Cirq IR から OpenQASM 3 を経由した統一実行レイヤを構築し、CPU / cuStateVec / cuTensorNet を切替可能にする。

  • Phase 2Planned2026-09

    VQE / QAOA ベンチ

    小分子ハミルトニアンと Max-Cut を対象に古典シミュレーション精度と GPU スケーリングを計測する。

  • Phase 3Planned2027-03

    ノイズモデル統合

    デポラライズ / 振幅減衰ノイズチャネルを cuStateVec 密度行列モードに組み込み、NISQ 実機挙動に近い評価を行う。

  • Phase 4Planned2027-10

    実機ブリッジ検証

    IBM Quantum Runtime / Amazon Braket への同一回路投入パイプラインを構築し、シミュレーション結果と実機結果の乖離を定量化する。

Team

Who built it

2engineers

Roles

  • 量子アルゴリズム研究 (兼任)
  • GPU / HPC エンジニア
Tech Stack

Tools & Platforms

Backend

Python 3.12

Infrastructure

Docker

Other

Qiskit 2.xCirqOpenQASM 3cuQuantum SDKcuStateVeccuTensorNetCUDA 12opt_einsumNumPyJAXMLflowOptunaNVIDIA A100
Build with KGA

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