[논문 리뷰] Rule-based optimization of reversible circuits

Mona Arabzadeh, Mehdi Saeedi외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 18.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 21인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 공통 타겟을 가진 서브회로를 최적화하고 NOT 게이트 수를 줄이기 위해 양성 및 음성 제어 Toffoli 게이트를 모두 활용하는 규칙 기반 최적화 방법을 제안한다. 실험 결과, 합성된 회로 품질을 효과적으로 향상시켜 가역 회로 및 양자 회로 설계의 효율성 향상 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 합성된 가역 회로의 비효율성을 줄이기 위해 NOT 게이트 수를 감소시키고 공통 타겟을 가진 서브회로를 최적화하는 것.
• 최적화 잠재력을 향상시키기 위해 양성 및 음성 제어 Toffoli 게이트를 모두 활용하는 방법을 탐색하는 것.
• 기존 합성 결과 및 최근 알고리즘과의 비교를 통해 규칙 기반 최적화의 효과성을 평가하는 것.
• 대상별 구조 전환을 통해 합성된 가역 회로의 전반적인 품질을 향상시키는 것.

제안 방법

• 해당 방법은 도메인 특화 규칙을 적용하여 가역 회로 내 중복된 NOT 게이트를 식별하고 제거한다.
• 공통 제어 타겟을 가진 서브회로를 대상으로 하여 게이트 수를 최소화하고 구조를 향상시키기 위한 최적화 규칙을 적용한다.
• 최적화의 유연성과 커버리지 확대를 위해 양성 및 음성 제어 Toffoli 게이트를 통합한다.
• 규칙은 회로의 가역성을 유지하면서 복잡성을 줄이는 순서로 체계적으로 적용된다.
• 최적화 과정은 최고 보고된 합성 결과 및 이중 제어 유형을 사용하는 최근 알고리즘의 벤치마크 회로를 사용하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 규칙 기반 최적화는 가역 회로에서 NOT 게이트 수를 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 양성 제어만을 사용하는 것에 비해 음성 제어 Toffoli 게이트의 통합이 최적화 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공통 타겟을 가진 서브회로는 규칙 기반 변환을 통해 어느 정도 최적화될 수 있는가?
• RQ4 이를 바탕으로 제안된 방법은 이중 제어 유형을 사용하는 최근 합성 알고리즘과 성능 면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 규칙 기반 방법은 대상별 규칙 적용을 통해 가역 회로 내 NOT 게이트 수를 성공적으로 감소시켰다.
• 공통 타겟을 가진 서브회로의 최적화는 회로 구조 및 게이트 수 측면에서 측정 가능한 향상을 이끌어냈다.
• 양성 및 음성 제어 Toffoli 게이트의 통합은 최적화 범위와 효과를 향상시켰다.
• 실험적 평가 결과, 이 방법은 합성된 회로 품질 향상 잠재력을 확인했으며, 핵심 지표에서 베이스라인 결과를 초월하는 것으로 입증되었다.