論文の概要: Pinball: A Cryogenic Predecoder for Quantum Error Correction Decoding Under Circuit-Level Noise

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.09807v1
• Date: Wed, 10 Dec 2025 16:23:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-11 15:14:53.596606
• Title: Pinball: A Cryogenic Predecoder for Quantum Error Correction Decoding Under Circuit-Level Noise
• Title（参考訳）: Pinball:回路レベル雑音下での量子エラー補正のための低温プリデコーダ
• Authors: Alexander Knapen, Guanchen Tao, Jacob Mack, Tomas Bruno, Mehdi Saligane, Dennis Sylvester, Qirui Zhang, Gokul Subramanian Ravi,
• Abstract要約: 低温領域で一般的なスパースエラーを扱うために, 軽量論理を用いた低温前復号法が提案されている。 本稿では,QECプリデコーダの極低温CMOSの総合設計であるPinballについて紹介する。 我々の設計では、現在最先端の極低温プリデコーダの論理誤り率(LER)を6桁近い精度で上回るプリデコード精度を実現している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 33.64487072591885
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Scaling fault tolerant quantum computers, especially cryogenic systems, to millions of qubits is challenging due to poorly-scaling data processing and power consumption overheads. One key challenge is the design of decoders for real-time quantum error correction (QEC), which demands high data rates for error processing; this is particularly apparent in systems with cryogenic qubits and room temperature (RT) decoders. In response, cryogenic predecoding using lightweight logic has been proposed to handle common, sparse errors in the cryogenic domain. However, prior work only accounts for a subset of error sources present in real-world quantum systems with limited accuracy, often degrading performance below a useful level in practical scenarios. Furthermore, prior reliance on SFQ logic precludes detailed architecture-technology co-optimization. To address these shortcomings, this paper introduces Pinball, a comprehensive design in cryogenic CMOS of a QEC predecoder tailored to realistic, circuit-level noise. By accounting for error generation and propagation through QEC circuits, our design achieves higher predecoding accuracy, outperforming logical error rates (LER) of the current state-of-the-art cryogenic predecoder by nearly six orders of magnitude. Remarkably, despite operating under much stricter power and area constraints, Pinball also reduces LER by 32.58x and 5x, respectively, compared to the state-of-the-art RT predecoder and RT ensemble configurations. By increasing cryogenic coverage, we also reduce syndrome bandwidth up to 3780.72x. Through co-design with 4 K-characterized 22 nm FDSOI technology, we achieve a peak power consumption under 0.56 mW. Voltage/frequency scaling and body biasing enable 22.2x lower typical power consumption, yielding up to 67.4x total energy savings. Assuming a 4 K power budget of 1.5 W, our predecoder supports up to 2,668 logical qubits at d=21.
• Abstract（参考訳）: フォールトトレラントな量子コンピュータ、特に低温系の量子コンピュータを数百万の量子ビットにスケーリングすることは、データ処理が貧弱で消費電力のオーバーヘッドがあるため困難である。 重要な課題の1つは、リアルタイム量子誤り訂正(QEC)のためのデコーダの設計であり、これはエラー処理に高いデータレートを必要とする。 これに対し, 低温領域における共通かつスパースな誤りに対処するために, 軽量論理を用いた低温前復号法が提案されている。 しかし、以前の研究は、現実の量子システムに存在するエラー源のサブセットに限られており、しばしば実用シナリオにおいて有用なレベル以下の性能を低下させる。 さらに、SFQロジックへの事前依存は、詳細なアーキテクチャと技術の共同最適化を妨げている。 そこで本研究では,QECプリデコーダの極低温CMOSの総合設計であるPinballを紹介した。 本設計では,QEC回路による誤り発生と伝播を考慮し,現在最先端の極低温プリデコーダの論理誤り率(LER)を6桁近く向上させる。 注目すべきは、より厳格なパワーと領域制限の下で動作しているにもかかわらず、Pinballは、最先端のRTプリデコーダとRTアンサンブル構成と比較して、LERをそれぞれ32.58xと5xに削減する。 低温域を増大させることで、症候群の帯域幅を3780.72倍に短縮する。 4Kキャラクタライズされた22nmFDSOI技術との共同設計により、0.56mW以下のピーク消費電力を実現する。 電圧/周波数のスケーリングとボディーバイアスにより22.2倍の電力消費が可能となり、総消費電力は67.4倍となる。 1.5Wの4K電力予算を仮定すると、プリデコーダはd=21で最大2,668個の論理量子ビットをサポートする。

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