LILLIPUT：一种面向近期量子纠错的轻量级低延迟查表解码器

量子设备的错误率比运行大多数量子应用所需的高出几个数量级。为缩小这一差距，量子纠错（QEC）对逻辑量子比特进行编码，并利用多个物理量子比特分发信息。通过在逻辑量子比特上周期性执行综合征提取电路，可在程序运行期间提取有关错误（称为综合征）的信息。解码器利用这些综合征实时识别并纠正错误，而这是使用量子算法中实现的反馈所必需的。遗憾的是，软件解码器速度慢，而硬件解码器速度快但精度较低。因此，迄今为止几乎所有 QEC 研究都依赖离线解码。为实现近期 QEC 中的实时解码，我们提出 LILLIPUT——一种轻量级低延迟查找表（Look-Up Table）解码器。LILLIPUT 由两部分组成：首先，它将综合征转换为错误检测事件，这些事件索引到一个查找表（LUT）中，其表项实时提供错误信息；其次，它通过离线运行软件解码器，为所有可能的错误事件编程 LUT 的错误分配。LILLIPUT 可容忍量子硬件中任何操作上的错误（包括门和测量），且可容忍错误数随码尺寸增大而增加。它在现成 FPGA 上所需逻辑少于 7%，可轻松与现有系统中的控制和读出电路集成。LILLIPUT 带来仅几纳秒的延迟并实现实时解码。我们还提出压缩查找表（CLUT）以减少 LILLIPUT 所需内存。通过利用并非所有错误事件等概率出现、仅存储最有可能错误事件的数据这一事实，CLUT 在不降低精度的情况下将所需内存最多减少 107 倍（从 148 MB 降至 1.38 MB）。