[論文レビュー] Rule-based optimization of reversible circuits

Mona Arabzadeh, Mehdi Saeedi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2010

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 21被引用数 50

ひとこと要約

本稿では、共通のターゲットを持つサブ回路を最適化し、NOTゲートの数を削減するために、正および負の制御を有するToffoliゲートを併用するルールベース最適化手法を提案する。実験により、合成回路の品質が著しく向上することが示され、可逆回路および量子回路設計における効率性向上の可能性を示している。

ABSTRACT

Reversible logic has applications in various research areas including low-power design and quantum computation. In this paper, a rule-based optimization approach for reversible circuits is proposed which uses both negative and positive control Toffoli gates during the optimization. To this end, a set of rules for removing NOT gates and optimizing sub-circuits with common-target gates are proposed. To evaluate the proposed approach, the best-reported synthesized circuits and the results of a recent synthesis algorithm which uses both negative and positive controls are used. Our experiments reveal the potential of the proposed approach in optimizing synthesized circuits.

研究の動機と目的

• 合成された可逆回路における非効率性を是正し、NOTゲートの数を削減するとともに、共通ターゲットを持つサブ回路を最適化すること。
• 最適化の可能性を高める手段として、正および負の制御を有するToffoliゲートの利用を検討すること。
• 既存の合成結果および最近のアルゴリズムと比較して、ルールベース最適化の有効性を評価すること。
• 標的的な構造的変換を通じて、合成された可逆回路の全体的な品質を向上させること。

提案手法

• ドメイン特化ルールのセットを適用し、可逆回路内の冗長なNOTゲートを特定および削除する。
• 共通の制御ターゲットを持つサブ回路に注目し、ゲート数を最小化し構造を改善する最適化ルールを適用する。
• 最適化の柔軟性とカバー範囲を向上させるために、正および負の制御を有するToffoliゲートを統合する。
• ルールを回路の可逆性を保持しつつ複雑さを低減する順序で体系的に適用する。
• ベンチマーク回路を用いて、最高報告結果の合成結果および二重制御タイプを用いた最近のアルゴリズムと比較して最適化プロセスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ルールベース最適化は、可逆回路におけるNOTゲートの数を効果的に削減できるか？
• RQ2 正の制御のみを用いるアプローチと比較して、負の制御を有するToffoliゲートの導入は最適化結果をどのように向上させるか？
• RQ3 共通ターゲットを持つサブ回路は、ルールベース変換によってどの程度最適化可能か？
• RQ4 本手法は、両方の制御タイプを用いた最近の合成アルゴリズムと比較して、性能面でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案されたルールベース手法は、標的的なルール適用により、可逆回路におけるNOTゲートの数を効果的に削減できた。
• 共通ターゲットを持つサブ回路の最適化は、回路構造およびゲート数の観点で測定可能な改善をもたらした。
• 正および負の制御を有するToffoliゲートの統合により、最適化の到達範囲と有効性が向上した。
• 実験的評価により、本手法が合成回路品質の向上に貢献する可能性を確認でき、主な指標においてベースライン結果を上回った。