[论文解读] Quantum Plain and Carry Look-Ahead Adders

Kaiwen Cheng, Chien‐Cheng Tseng|ArXiv.org|Jun 5, 2002

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 9被引用 16

一句话总结

本文提出两种优化的量子加法器电路：改进型量子普通加法器（MQP）和量子进位前瞻加法器（QCLA），相较于传统的量子普通加法器（CQP），其门数和处理阶段均有所减少。通过最小化量子门数量和关键路径延迟，MQP与QCLA设计提升了量子加法操作的吞吐时间。

ABSTRACT

In this paper, two quantum networks for the addition operation are presented. One is the Modified Quantum Plain (MQP) adder, and the other is the Quantum Carry Look-Ahead (QCLA) adder. The MQP adder is obtained by modifying the Conventional Quantum Plain (CQP) adder. The QCLA adder is an extension of conventional digital Carry Look-Ahead adder. Compared with the CQP adder, two main advantages are as follows: First, the proposed MQP and QCLA adders have less number of elementary gates than the CQP adder. Secondly, the number of processing stages of the MQP and QCLA adder are less than ones of the CQP adder. As a result, the throughput time for computing the sum of two numbers on the quantum computer can be improved.

研究动机与目标

• 解决传统量子普通加法器（CQP）在门数与延迟方面的低效问题。
• 减少量子加法电路中的基本量子门数量与处理阶段数。
• 提升量子计算机上量子加法操作的吞吐时间。
• 开发适用于大规模量子计算的可扩展且高效的量子加法器架构。

提出的方法

• 对传统量子普通加法器（CQP）进行改进，设计出门数与阶段数更少的改进型量子普通加法器（MQP）。
• 将经典进位前瞻技术适配至量子领域，设计出量子进位前瞻加法器（QCLA）。
• 使用量子逻辑门（如受控非门（CNOT）与Toffoli门）实现加法器电路。
• 优化电路结构，以最小化量子门数量与关键路径延迟。
• 应用量子电路综合技术，确保电路满足可逆性与酉操作要求。
• 通过电路图与阶段分析验证设计，确认延迟与门数的减少。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何减少传统量子普通加法器的门数与处理阶段？
• RQ2 经典进位前瞻技术能否有效适配至量子领域以提升加法器性能？
• RQ3 减少量子门数与处理阶段对量子加法吞吐时间有何影响？
• RQ4 MQP与QCLA加法器相较于CQP加法器在资源效率与延迟方面表现如何？
• RQ5 所提出的量子加法器设计在可扩展性与实际实现方面有何影响？

主要发现

• MQP加法器相较于传统量子普通加法器（CQP），门数更少。
• QCLA加法器进一步减少了处理阶段数，从而提升了延迟性能。
• MQP与QCLA加法器的关键路径延迟均低于CQP加法器，从而提升了吞吐时间。
• 所提出的设计保持了量子可逆性与酉操作要求。
• 电路图与分析结果表明，新加法器在门数与阶段数方面更具效率。
• 结果表明，通过架构优化可显著提升量子加法器性能。