[论文解读] 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 50

一句话总结

本文提出了一种基于规则的可逆电路优化方法，利用正控制与负控制的Toffoli门来减少NOT门数量，并优化具有共同目标的子电路。实验表明，该方法能有效提升综合电路的质量，展示了其在可逆电路与量子电路设计中提升效率的潜力。

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.

研究动机与目标

• 通过减少NOT门数量并优化具有共同目标的子电路，解决综合可逆电路中的低效问题。
• 探索同时使用正控制与负控制Toffoli门以增强优化潜力。
• 评估基于规则的优化方法相对于现有综合结果及近期算法的有效性。
• 通过针对性的结构变换，提升综合可逆电路的整体质量。

提出的方法

• 该方法应用一组领域特定规则，识别并消除可逆电路中的冗余NOT门。
• 针对具有共同控制目标的子电路，应用优化规则以最小化门数量并改善电路结构。
• 该方法整合正控制与负控制Toffoli门，以提升优化的灵活性与覆盖范围。
• 规则按序列系统性地应用，以在保持电路可逆性的同时降低复杂度。
• 优化过程通过最佳报告综合结果中的基准电路以及使用双控制类型的近期算法进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于规则的优化能否有效减少可逆电路中的NOT门数量？
• RQ2 与仅使用正控制的方法相比，引入负控制Toffoli门在优化结果上带来哪些改善？
• RQ3 在多大程度上可以通过基于规则的变换优化具有共同目标的子电路？
• RQ4 与近期使用双控制类型的综合算法相比，所提出方法在性能上表现如何？

主要发现

• 所提出的基于规则的方法通过有针对性的规则应用，成功减少了可逆电路中的NOT门数量。
• 对具有共同目标的子电路进行优化，显著改善了电路结构与门数量。
• 同时集成正控制与负控制Toffoli门显著提升了优化的覆盖范围与有效性。
• 实验评估证实，该方法具有提升综合电路质量的潜力，在关键指标上优于基线结果。