論文の概要: LATTE: A Decoding Architecture for Quantum Computing with Temporal and Spatial Scalability
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.03954v1
- Date: Thu, 04 Sep 2025 07:29:21 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-12 14:18:56.476157
- Title: LATTE: A Decoding Architecture for Quantum Computing with Temporal and Spatial Scalability
- Title（参考訳）: LATTE: 時間的および空間的スケーラビリティを備えた量子コンピューティングのためのデコードアーキテクチャ
- Authors: Kai Zhang, Jubo Xu, Fang Zhang, Linghang Kong, Zhengfeng Ji, Jianxin Chen,
- Abstract要約: 格子手術の量子オーバーヘッドをスケールアップする上で重要な要件に対処するため,FPGA-ハイブリッドデコーディングアーキテクチャであるLATTEを導入する。
LATTEは、リアルタイムデコードスループットを実現しつつ、ベースデコーダと同等の精度を提供し、帯域幅要求と計算資源の両方を著しく削減する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.184133388805955
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum error correction allows inherently noisy quantum devices to emulate an ideal quantum computer with reasonable resource overhead. As a crucial component, decoding architectures have received significant attention recently. In this paper, we introduce LATTE, a FPGA-CPU hybrid decoding architecture aiming to address the key requirements of scaling up in lattice surgery quantum computation -- Latency, Accuracy, Throughput and Transmission Bandwidth, in an Eclectic manner. LATTE follows a hierarchical design: (1) A fully streaming and asynchronous block decoding system on CPU to enable parallelization both temporally and spatially. (2) A super-light yet accurate neural local decoding unit integrated with quantum control hardware on FPGA, which remains \emph{transparent} to the block decoding system, effectively reducing transmission bandwidth and accelerating the decoding process. LATTE delivers accuracy on par with the base decoder while achieving real-time decoding throughput and significantly reducing both bandwidth requirements and computational resources, enabling a level of scalability far beyond previous approaches. Under circuit-level noise $p=0.001$, LATTE achieves over $\mathbf{90\%}$ reduction in transmission bandwidth and a $\mathbf{6.4\times}$ speedup on average in single-block decoding. In the \emph{streaming decoding} scenario: (1) LATTE achieves constant and low latency ($\mathbf{16\times}$-$\mathbf{20\times}$ speedup over existing streaming decoding implementations) in arbitrarily long quantum memory experiments, with near-optimal resources -- merely $\mathbf{2}$ threads are sufficient for decoding the surface code with distance up to $17$. (2) LATTE minimizes latency in multi-patch measurement experiments through highly parallelized decoding operations. These combined efforts ensure sufficient scalability for large-scale fault-tolerant quantum computing.
- Abstract（参考訳）: 量子エラー補正により、本質的にノイズの多い量子デバイスは、合理的なリソースオーバーヘッドを持つ理想的な量子コンピュータをエミュレートすることができる。
重要なコンポーネントとして、デコードアーキテクチャが最近大きな注目を集めている。
本稿では,格子演算量子計算において,遅延,精度,スループット,伝送帯域幅といった重要な要件に対応するために,FPGA-CPUハイブリッドデコードアーキテクチャであるLATTEを紹介する。
1) 時間的および空間的に並列化を可能にするCPU上の完全ストリーミングおよび非同期ブロック復号システム。
2) FPGA上の量子制御ハードウェアと統合された超軽量で高精度なニューラルネットワーク局所復号ユニットは,ブロック復号システムに<emph{transparent} のまま残っており,伝送帯域を効果的に削減し,復号処理を高速化する。
LATTEは、リアルタイムデコードスループットを実現しつつ、ベースデコーダと同等の精度を提供し、帯域幅要求と計算資源の両方を大幅に削減し、従来のアプローチよりはるかに高いスケーラビリティを実現する。
LATTEは、回路レベルのノイズ$p=0.001$の下で、伝送帯域幅が$\mathbf{90\%}$以上減少し、$\mathbf{6.4\times}$1ブロックデコーディングで平均で$$$\mathbf{6.4\times}$スピードアップを達成する。
1) LATTEは、任意の長さの量子メモリ実験において、ほぼ最適なリソース -- 単に$\mathbf{2}$スレッドで、定数かつ低レイテンシ(\mathbf{16\times}$-$\mathbf{20\times}$-$\mathbf{20\times}$のスピードアップ)を達成する。
2) LATTEは並列化復号処理によるマルチパッチ計測実験の遅延を最小化する。
これらの組み合わせにより、大規模なフォールトトレラント量子コンピューティングに十分なスケーラビリティが確保される。
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