[论文解读] Block-based quantum-logic synthesis

Mehdi Saeedi, Mona Arabzadeh+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2011

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 35被引用 21

一句话总结

本文提出一种基于块的量子逻辑综合方法，利用余弦正弦分解构建高效的量子电路。通过递归应用量子香农分解于 l-量子比特块并优化门移除，该方法减少了 controlled-NOT（CNOT）门和单量子比特门的数量；块大小 l 的选择显著影响效率，在最近邻约束下，CNOT 门数量最多增加 5/3 倍。

ABSTRACT

In this paper, the problem of constructing an efficient quantum circuit for the imple-mentation of an arbitrary quantum computation is addressed. To this end, a basic blockbased on the cosine-sine decomposition method is suggested which contains l qubits.In addition, a previously proposed quantum-logic synthesis method based on quantumShannon decomposition is recursively applied to reach unitary gates over l qubits. Then,the basic block is used and some optimizations are applied to remove redundant gates.It is shown that the exact value of l affects the number of one-qubit and CNOT gates inthe proposed method. In comparison to the previous synthesis methods, the value of l isexamined consequently to improve either the number of CNOT gates or the total numberof gates. The proposed approach is further analyzed by considering the nearest neighborlimitation. According to our evaluation, the number of CNOT gates is increased by atmost a factor of 5/3 if the nearest neighbor interaction is applied.

研究动机与目标

• 开发一种用于任意酉操作的高效量子电路综合方法。
• 最小化量子电路中单量子比特门和 CNOT 门的数量。
• 分析块大小 l 对门数量效率的影响。
• 在最近邻相互作用约束下适应该综合方法。

提出的方法

• 使用余弦正弦分解方法构建基本的 l-量子比特块。
• 递归应用量子香农分解以综合 l-量子比特酉门。
• 通过有针对性的优化技术移除冗余门。
• 将基于块的方法迭代应用，以扩展至更大规模的量子电路。
• 评估块大小 l 的变化对门数量和电路深度的影响。
• 通过分析电路拓扑结构和门重排，对最近邻约束进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 块大小 l 的选择如何影响合成电路中 CNOT 门和单量子比特门的数量？
• RQ2 使总门数或 CNOT 门数最小化的最优 l 值是多少？
• RQ3 最近邻相互作用约束如何影响最终电路中 CNOT 门的数量？
• RQ4 在基于块的综合框架中，通过优化可将门冗余减少到何种程度？
• RQ5 与先前的量子逻辑综合技术相比，所提出方法在效率上表现如何？

主要发现

• l 的精确取值对合成电路中单量子比特门和 CNOT 门数量有显著影响。
• 通过调节 l，所提出方法相比以往综合方法实现了更优的门数量。
• 优化技术能有效减少合成量子电路中的冗余门。
• 在最近邻约束下，CNOT 门数量最多增加 5/3 倍。
• 递归应用量子香农分解可实现 l-量子比特酉操作的可扩展综合。
• 通过调节 l，该方法在最小化总门数和最小化 CNOT 门数之间提供了权衡。