Pinball：电路级噪声下表面码解码的低温预解码器
摘要
将基于表面码的容错量子计算机，尤其是低温系统，扩展到数百万个量子比特具有挑战性，原因在于数据处理和功耗开销的扩展性不佳。一个关键障碍是实时量子纠错（QEC）解码器的设计，它需要高数据率进行错误处理；这在具有低温量子比特和室温（RT）解码器的系统中尤为突出。作为回应，利用轻量级逻辑进行低温预解码已被提出用于处理低温域中的稀疏错误。然而，先前的工作仅考虑了真实量子系统中部分错误源，且精度有限，在实际场景中往往将性能降低到有用水平以下。此外，此前对SFQ逻辑的依赖排除了详细的架构-技术协同优化。为解决这些限制，本文提出了Pinball，一个在低温CMOS中设计的表面码QEC预解码器的全面设计，针对真实的电路级噪声。通过考虑QEC电路中的错误生成与传播，我们的设计实现了更高的预解码准确率，其逻辑错误率（LER）比当前最先进的（SOTA）低温预解码器高出近六个数量级。值得注意的是，尽管在更严格的功耗和面积约束下运行，Pinball分别将LER相比SOTA RT预解码器和RT集成配置降低了32.58倍和5倍。通过增加低温覆盖范围，我们还降低了最多3780.72倍的综合征带宽。通过与4 K表征的22nm FDSOI技术的协同设计，我们实现了低于0.56 mW的峰值功耗。电压/频率缩放和体偏置实现了22.2倍的典型功耗降低，实现了高达67.4倍的总能耗节省。假设1.5 W的4 K功耗预算，我们的预解码器在d=21时最多支持2668个逻辑量子比特。
引用
@article{arxiv.2512.09807,
title = {Pinball: A Cryogenic Predecoder for Surface Code Decoding Under Circuit-Level Noise},
author = {Alexander Knapen and Guanchen Tao and Jacob Mack and Tomas Bruno and Mehdi Saligane and Dennis Sylvester and Qirui Zhang and Gokul Subramanian Ravi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.09807},
year = {2025}
}
备注
Minor text/figure/title updates. 17 pages, 26 figures. To appear at the 32nd IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA 2026)