← Quantum Technology AtlasТехнологии · Машины · Архитектуры · ОрганизацииEnglishעברית

Криогенный декодер / декодер на чипе (крио-КМОП, БОК) dec_cryo

Декодирование синдрома или его предварительное декодирование выполняется внутри криостата — логика БОК при милликельвинах, КМОП при 4 K — вместо комнатной температуры.

Криогенный декодер / декодер на чипе (крио-КМОП, БОК)

dec_cryo · слой 8 Декодер · пустой слот — технологии ещё нет
Открыть на карте

Только проекты: NISQ+ (≤ 20 ns, БОК), QECOOL (2.8 µW), Pinball/CryoZip (предекодеры при 4 K) — ни одного изготовленного чипа-декодера.

Метки чтения
сквозная технология — искусственный носитель + управление/декодирование в холодной ступени
∅ пустой слот
Обзор →

Ключевые источники

[744] A. Holmes et al., “NISQ+: Boosting quantum computing power by approximating quantum error … · 2020
[745] Y. Ueno, M. Kondo, M. Tanaka, Y. Suzuki, and Y. Tabuchi, “QECOOL: On-Line Quantum Error Co… · 2021
[733] A. Knapen et al., “Pinball: A Cryogenic Predecoder for Surface Code Decoding Under Circuit… · 2025
[746] G. Tao et al., “CryoZip: An Efficient Cryogenic Compressor for Quantum Error Correction Sy… · 2026

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя
искусственный
(b) время · запутывание
—
(c) считывание
—
(d) подвижность
—
(e) управление
СВЧ @ милликельвиновая ступень
(f) структура ошибки
стохастическая паулиевская
(g) производство
литография сверхпроводниковых схем

Пространство оценки — датированные атрибуты

QECOOL on-line SFQ decoder (simulation) → 2.78 µW at 2 GHz; latency not published
определяет: путь масштабирования · 2021-03 · источник
NISQ+ approximate SFQ decoder (design) → ≤ 20 ns latency
определяет: такт (время цикла) · 2020-04 · источник
cryo-CMOS predecoder (design) → 3,780× syndrome-bandwidth reduction at < 0.56 mW
определяет: путь масштабирования · 2025-12 · источник

arXiv:2103.14209 — это QECOOL, декодер на БОК-логике, а не на крио-КМОП; задержка ≤ 20 ns относится к NISQ+ (arXiv:2004.04794).

Стандартные рекорды

задержка декодирования за раунд → 20 ns · theory
NISQ+ approximate SFQ decoder: latency a 'maximum of ~20 nanoseconds on the largest code distances studied' · 2020-04 · источник [S] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Решётка трансмонов с перестраиваемыми элементами связи (альтернатива) — IBM (Heron, Nighthawk), Google (Willow), Rigetti, IQM, OQC, USTC/Zhejiang, Fujitsu/RIKEN, QuantWare · G2 G3 G4

Рёбра

нужно: Цифровое управление на БОК-логике (4 K / mK)°, Крио-КМОП-контроллер (4 K / mK)°
альтернативы: ПЛИС-декодеры реального времени (LCD, Deltaflow)
° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 1 машин (0 основная · 1 альтернатива)

↗ карточка реестра · статья / продукт / пресса: ссылки, где машина названа (атрибуция проверена 20 сентября 2026)

Иллюстрации

У каждой иллюстрации — рассказ о том, что на ней, и строка авторства.

Fig. 1(b) — Micrograph of the SFQ driver chip (two dc/SFQ converters; indium bumps visible as grid)
Four-panel paper figure: optical micrographs of a transmon qubit chip and of a separate single-flux-quantum (SFQ) driver chip, a photograph of the two dies stacked face to face (2 mm scale bars), and a circuit schematic. From Chuan-Hong Liu and colleagues (arXiv, 2023); the record describes a NIST-fabricated SFQ chip in a Wisconsin/Syracuse/NIST multichip module. Notice the dot grids, indium bumps that join the dies: they let digital SFQ control sit right beside the qubit while staying on its own chip. “Fig. 1(b) — Micrograph of the SFQ driver chip (two dc/SFQ converters; indium bumps visible as grid)” by Chuan-Hong Liu et al., arxiv.org/abs/2301.05696, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 5 — Micrograph of a test chip for the RSFQ cell library, including 17 logic cells (5 mm × 5 mm)
An optical micrograph of a 5 mm by 5 mm test chip carrying 17 labelled logic cells inside a ring of contact pads. It is Fig. 5 of a journal paper by Taiki Yamae, Yuki Hironaka, Shuichi Nagasawa, Yuki Yamanashi, Nobuyuki Yoshikawa and Naoki Takeuchi, published 2025-11-21, testing a rapid single-flux-quantum (RSFQ) cell library on a 1 kA/cm2 niobium process. This is classical superconducting logic, not a qubit chip: Josephson-junction circuits that pass single magnetic flux pulses and are candidates for cryogenic control electronics near qubits. “Fig. 5 — Micrograph of a test chip for the RSFQ cell library, including 17 logic cells (5 mm × 5 mm)” by Taiki Yamae, Yuki Hironaka, Shuichi Nagasawa, Yuki Yamanashi, Nobuyuki Yoshikawa, Naoki Takeuchi, www.nature.com/articles/s41598-025-20666-7, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 2 — Figure 2: Collision clustering decoder. (a) Micro-architecture diagram of the CC decoder computation engine, with annotated data flow. Each (sub-)un…
A three-panel figure. (a) Block diagram of the Collision Clustering decoder: an Init unit reads the syndrome register, and Grow, Match and Union state machines share small stacks and registers (cluster growth stack, parent table, parity, boundary, logical) to output a one-bit logical correction; (b) a worked example on a small rotated surface-code patch with four defects, whose clusters grow, merge and reach the boundary, ending in 'Logical Correction 1'; (c) a colour-coded layout of these blocks on a chip. It comes from arXiv 2309.05558 by Barber, Barnes, Bialas and co-authors. Error correction needs decoding as fast as syndromes arrive; this is a decoder in silicon, not software. “Fig. 2 — Figure 2: Collision clustering decoder. (a) Micro-architecture diagram of the CC decoder computation engine, with annotated data flow. Each (sub-)unit uses a…” by Ben Barber et al., arxiv.org/abs/2309.05558, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
dec_cryo · слой 8 Декодер · центральность 10.4 · пустой слот — технологии ещё нет · обновлено 2026-09-30

Криогенный декодер / декодер на чипе (крио-КМОП, БОК)

Декодирование синдрома или его предварительное декодирование выполняется внутри криостата — логика БОК при милликельвинах, КМОП при 4 K — вместо комнатной температуры.

Вердикт. Четыре проектных исследования и ноль кремния по состоянию на 4 сентября 2026 г. Декодеры на ПЛИС при комнатной температуре укладываются в сверхпроводниковый цикл 1.1 µs, поэтому вызвать этот узел к жизни способно только число вводов при 10⁴+ кубитах.

Ключевые источники

Λ = коэффициент подавления ошибки на шаг кодового расстояния; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (Stage A — концепция → B — план НИОКР → C — государственная V&V); G1–G7 = классы целей отчёта (см. «Участники и экономика»).

Сущность и происхождение

Криогенный декодер вычисляет отображение «синдром → коррекция» внутри рефрижератора, вместо того чтобы гнать каждый бит синдрома наверх по жгуту. Конкурируют две подложки: логика на одиночных квантах магнитного потока (БОК), переключающая квантованные импульсы потока на десятках GHz при милликельвинах, и КМОП, охарактеризованная при 4 K. Происхождение здесь архитектурное: БОК-декодер на каждый кубит в 2020 г. S[744], онлайновый БОК-декодер поверхностного кода в 2021 г. S[745], затем в 2025–26 гг. инверсия подхода — сжимать синдромы при 4 K, а не декодировать их S[733]S[746].

  • Управление и размещение: холодная цифровая логика на милликельвиновой ступени или на ступени 4 K.
  • Производство: многослойная Nb-литография либо КМОП, охарактеризованная при 4 K; процесса, специфичного для декодера, не существует.

Физика и пределы

Ограничение здесь — тепловая бухгалтерия. Одно переключение БОК-перехода рассеивает величину порядка I_cΦ₀ ≈ 10⁻¹⁹ J, поэтому декодер на 10⁵ переходов при 2 GHz укладывается в десятки µW — опубликованная точка составляет 2.78 µW S[745] — против рефрижератора растворения, отдающего сотни µW при 100 mK. Крио-КМОП меняет это на установку ≈2 W при 4 K S[550], из которых один проект тратит 1.5 W на обслуживание 2 668 логических кубитов при d = 21 S[733]. Ни один из этих пределов не фундаментален: каждый — это распределение внутри бюджета, на который уже претендует управление, и он сдвигается вместе с семейством логики — более экономичный крио-КМОП, БОК при ~1.6 µW на кубит, логика на адиабатическом потоковом параметроне ещё ниже S[550]. Доминирующий режим отказа — не паулиевская ошибка: декодер, чья пропускная способность падает ниже темпа поступления синдромов, накапливает неограниченную очередь, поэтому конструкцию задают задержка и полоса. БОК вблизи кубитного кристалла добавляет второй механизм: фронты импульсов излучают, и опосредованное фотонами отравление квазичастицами дало измеренную ошибку 1.2(1)% на клиффордовскую операцию для БОК-драйвера на отдельном кристалле, который переключается несравнимо реже, чем переключался бы декодер Dфакт.

Достигнутый инженерный уровень

Все цифры по декодерам получены после синтеза; последняя строка — ближайший реально изготовленный аналог.

таблица
Год Показатель Кто Тег+ключ
2021-03 БОК-декодер поверхностного кода: 2.78 µW при 2 GHz, порог 1.0%, d = 5–13 Ueno et al. S[745]
2025-12 Предекодер 22 nm FDSOI при 4 K: сокращение полосы в 3 780.72×, пик < 0.56 mW Univ. Michigan Sфакт
2026-06 Компрессор 22 nm FDSOI при 4 K: 48× при d = 17, 14 238× суммарно, 100 ns на раунд Univ. Michigan Sфакт
2026-07 Изготовленный КМОП-контроллер на 4 K, самостоятельно секвенирующий код повторения d = 5, ≤3.5 W HRL Laboratories Dфакт

Доминирующий член бюджета — классический: полоса на выходе из криостата и задержка кругового обхода.

Производство, материалы и цепочка поставок

Оба проекта на крио-КМОП исполнены в 22 nm FDSOI, охарактеризованном при 4 K, и оба взяли этот PDK у Semiwise Ltd (Великобритания) S[746] — один небольшой поставщик стоит между каждой академической группой и tape-out. За ним стоит объёмный маршрут 22FDX от GlobalFoundries Cфакт. Путь БОК зависит от многослойной ниобиевой фабрики SEEQC в Elmsford NY Dфакт — единственной коммерческой линии своего класса. Ни выхода годных, ни удельной стоимости не существует: tape-out не сделан ни разу. ECCN 3A901.a покрывает КМОП-микросхемы, «спроектированные для работы при» ≤4.5 K — то есть по замыслу конструкции, а не по достигнутым характеристикам, — так что топология контролируется ещё до изготовления факт.

Управление, считывание и нагрузка на ввод-вывод

Узел существует ради сокращения ввода-вывода. Сверхпроводниковый цикл QEC равен 1.1 µs D[1], а логический кубит расстояния d выдаёт d²−1 бит синдрома за раунд — это ≈0.4 Gb/s при d = 21. При 10³ физических кубитах не связывает ничто: декодер локальной кластеризации держится ниже 1 µs на раунд вплоть до d = 17 на Xilinx VU19P, занимая ≈6% его LUT Dфакт, а точное паросочетание (matching) на ПЛИС (FPGA) даёт в среднем 0.8 µs при d = 13 D[727]. Стена на 10⁴–10⁶ имеет механическую природу раньше, чем вычислительную: число вводов, тепловая нагрузка жгута, полоса сериализатора, пересекающего границу 4 K. Именно этот член и атакует сжатие.

Роль в стеке

Альтернативный декодер на решётке трансмонов с перестраиваемыми элементами связи. Узел требует сначала БОК-управления при милликельвинах или крио-КМОП-управления при 4 K, ничего не обеспечивает ниже по стеку и никого не блокирует. Он заменяет декодирование на ПЛИС при комнатной температуре: ПЛИС перепрограммируется по мере смены кодов и моделей шума, тогда как холодная ASIC имеет фиксированную функцию, конкурирует с управлением за холодные ватты и подпадает под экспортный контроль уже на уровне файла проекта. Аргумент в пользу ASIC лежит на стороне предложения: коммерческие ПЛИС верхнего уровня — это дуополия AMD/Altera, одна сторона которой с 2025 г. контролируется фондом прямых инвестиций факт. В роли предекодера узел добавляет ≈0.10 µs на раунд Sфакт вне производного такта = сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс, который остаётся ≈0.65 µs против измеренного цикла 1.1 µs; меняется только стоимость кабельной части.

Свидетельства — как измерены числа

Каждая цифра по декодерам — это послесинтезная оценка мощности, быстродействия и площади на криогенно охарактеризованном PDK плюс векторное моделирование, причём синдромы берутся из моделей шума, а не с реального устройства; предекодер 2025 г. по крайней мере оценивался при шуме уровня схемы, а не при шуме уровня ёмкости кода, и ни одно из этих исследований не воспроизведено вне пересекающегося круга авторов. У удельной мощности на кубит при 4 K нет общего определения: 23 mW измерены IBM при исполнении двухкубитного вентиля против «оптимистичных» 5 mW и заявок ниже 2 mW Sфакт; только 23 mW привязаны к реально исполняемому вентилю. Многократно повторяемая задержка паросочетания на ПЛИС в 367 ns происходит из репозитория, где не указаны ни кодовое расстояние, ни статья; рецензированная цифра — 0.8 µs при d = 13 D[727], она здесь и используется.

Не опубликовано: объём размещения и диапазон цены SEEQC, по-прежнему не заполненные в поправке к форме S-1 от 2026-09-11 факт, а также патентное семейство, специфичное для криогенного декодирования.

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| University of Michigan | Исследования | США | Авторы обоих проектов — холодного предекодера и компрессора | Sфакт |
| SEEQC Inc. | Разработчик, поставщик | США | Ниобиевая фабрика и БОК-управление при милликельвинах; единственный убедительный носитель БОК | Dфакт |
| HRL Laboratories | Разработчик | США | Единственная реально изготовленная холодная логика внутри петли QEC | Dфакт |
| IBM | Разработчик, покупатель | США | Крио-КМОП ASIC смещения по потоку на 156 кубитов; приобрела HRL | Cфактфакт |
| Semiwise Ltd | Поставщик | Великобритания | Единственный источник используемого PDK 22 nm FDSOI для 4 K | S[746] |
| Riverlane | Разработчик, конкурент | Великобритания | Действующий игрок в декодировании на ПЛИС при комнатной температуре | Dфакт |
| US Bureau of Industry and Security | Регулятор | США | Контролирует КМОП-микросхемы для ≤4.5 K по замыслу конструкции | факт |

Деньги. 2025-12/2026-06 · University of Michigan · грант DOE ARQC DE-SC0025633, сумма не раскрыта · финансирует оба исследования · продолжается S[746]. 2026-05-21 · GlobalFoundries · письмо о намерениях по CHIPS · $375 M USD · Министерство торговли США · необязывающее факт. 2026-05-26 · SEEQC · форма S-4 для листинга на Nasdaq через соглашение о слиянии с Allegro от 2026-01-16 · размещение на $75 M плюс PIPE на $65 M при стоимости бизнеса ~$1 B · подано G[575]; слияние расторгнуто 2026-08-25, а отдельное IPO SEEQC по форме S-1 (подана 2026-06-29) по состоянию на 30 сентября 2026 г. не состоялось факт; уточнённая форма S-1 SEEQC от 2026-08-28 показывает выручку $4.2 M за 2025 г., чистый убыток $12.2 M за 2025 г. и $18.1 M денежных средств на 2026-06-30 факт. 2026-07-23 · IBM · приобретение HRL Laboratories · условия не раскрыты · сделка закрыта 2026-08-26 Cфактфакт. Ни одна программа не финансирует криогенное декодирование напрямую.

Рынок и цепочка поставок. Этого никто не продаёт. Обеспечивающие товары лежат слоем ниже: криогенные PDK, мощности 22FDX, прогоны многослойного Nb и те стойки, которые холодный декодер вытеснил бы. Концентрация тяжёлая с обоих концов; удельную экономику привести нечем. Платит за это только G4.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Патентного семейства, специфичного именно для криогенного декодирования, в поименованной датированной базе не найдено. Ближайшее — GB 2641501 A "Quantum decoder" компании Riverlane (опубликован 2025-12-10), где заявлена аппаратная кластеризация при комнатной температуре факт. Стандарта на интерфейс передачи синдрома через границу 4 K не существует; NVQLink от NVIDIA стандартизует вместо этого тёплую сторону.

Дорожные карты и послужной список. Предекодер и компрессор Michigan (2025-12-10, 2026-06-29 · дата tape-out не назначена · по состоянию на 4 сентября 2026 г. только проект) — реальные данные PDK, но никаких обязательств по изготовлению. БОК-управление SEEQC (рецензированная публикация 2026-03-10 · декодирование в дорожной карте отсутствует) — единственный участник, у которого есть собственный процесс и который, если его IPO состоится, получит средства на tape-out. Крио-КМОП-управление IBM (тезисы 2026-03-16 · препринта нет) — не доказано на уровне публикационного стандарта.

Стратегическое прочтение. Если холодное декодирование заработает, победители уже владеют холодным кремнием и бюджетом охлаждения — SEEQC на БОК, IBM/HRL и GlobalFoundries на КМОП, — потому что декодирование сворачивается в чип, который они и так поставляют. Проигрывают самостоятельные поставщики декодеров, чья ценность в перепрограммируемости, и поставщики ускорителей, ставящие на то, что декодирование переедет на GPU по тёплому каналу. Переговорная сила у владельца подложки.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить к 2028 г., если хоть один криогенный предекодер пройдёт tape-out и даст измеренный кремний; понизить, если литература 2027 г. останется на уровне послесинтезных оценок. В лучшем случае к 2029 г.: компрессор при 4 K внутри системы, близкой к QBI, поглощает поток синдромов ещё до жгута. В худшем случае: декодирование при комнатной температуре масштабируется вместе с кодами qLDPC и более быстрыми каналами. Открытые вопросы: какая базовая величина мощности должна задавать размер холодного декодера; может ли декодирующая логика делить ступень с управлением, не возвращая отравление квазичастицами; упрётся ли хоть одна платформа в стену по вводам раньше 10⁴ кубитов. Следить за листингом SEEQC и за дорожной картой IBM после покупки HRL.

Бюджет переходов, определяющий размер декодера на БОК-логике, снижается со стороны проектирования: бестактовая библиотека ячеек xSFQ со встроенными усилителями разветвления (fan-out) сокращает число джозефсоновских переходов в 2.7–3.4 раза (на 63–71%) на стандартных однотактных логических бенчмарках и на 41–66% на конвейерных, причём одна ячейка изготовлена и проверена при 4.2 K P[897]. Декодер не построен; цифры относятся к логике общего назначения.

Литература
  1. [1] Google Quantum AI and Collaborators, “Quantum error correction below the surface code threshold,” Nature, vol. 638, no. 8052, pp. 920–926, Dec. 2024, doi: 10.1038/s41586-024-08449-y. [D]
  2. [550] S. Kawabata, “Integration and Resource Estimation of Cryoelectronics for Superconducting Fault-Tolerant Quantum Computers,” arXiv:2601.03922, Jan. 2026. [S]
  3. [575] SeeQC, Inc., “Form S-4 Registration Statement (SeeQC, Inc. / Allegro Merger Corp.),” U.S. Securities and Exchange Commission, May 2026. [Online]. Available: https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/1779977/000121390026061108/ea0278139-04.htm [G]
  4. [727] Y. Wu, N. Liyanage, and L. Zhong, “Micro Blossom: Accelerated Minimum-Weight Perfect Matching Decoding for Quantum Error Correction,” Proc. 30th ACM Int. Conf. Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems (ASPLOS '25), vol. 2, Mar. 2025, doi: 10.1145/3676641.3716005. arXiv:2502.14787. Also https://github.com/yuewuo/micro-blossom. [D]
  5. [733] A. Knapen et al., “Pinball: A Cryogenic Predecoder for Surface Code Decoding Under Circuit-Level Noise,” arXiv:2512.09807, Dec. 2025. [S]
  6. [744] A. Holmes et al., “NISQ+: Boosting quantum computing power by approximating quantum error correction,” arXiv:2004.04794, Apr. 2020. [S]
  7. [745] Y. Ueno, M. Kondo, M. Tanaka, Y. Suzuki, and Y. Tabuchi, “QECOOL: On-Line Quantum Error Correction with a Superconducting Decoder for Surface Code,” arXiv, Nov. 8, 2021. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/2103.14209 [S]
  8. [746] G. Tao et al., “CryoZip: An Efficient Cryogenic Compressor for Quantum Error Correction Syndromes,” arXiv:2606.30805, Jun. 2026. [S]
  9. [897] P. Papanikolaou, A. Vanasse, H. Jin, G. Tzimpragos, and J. Volk, “Duplication-aware retiming and cell interface redesign for superconductor circuit minimization,” arXiv:2610.02333, Oct. 2026. [P]