E-Book, Englisch, 186 Seiten, eBook
Abdessaied / Drechsler Reversible and Quantum Circuits
1. Auflage 2016
ISBN: 978-3-319-31937-7
Verlag: Springer International Publishing
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Optimization and Complexity Analysis
E-Book, Englisch, 186 Seiten, eBook
ISBN: 978-3-319-31937-7
Verlag: Springer International Publishing
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
This book presents a new optimization flow for quantum circuits realization. At the reversible level, optimization algorithms are presented to reduce the quantum cost. Then, new mapping approaches to decompose reversible circuits to quantum circuits using different quantum libraries are described. Finally, optimization techniques to reduce the quantum cost or the delay are applied to the resulting quantum circuits. Furthermore, this book studies the complexity of reversible circuits and quantum circuits from a theoretical perspective.
Zielgruppe
Research
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1 Introduction . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 11.1 Book Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.1 Optimization of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.2 Complexity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Boolean Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Boolean Function Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.1 Ashenhurst Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.2 Curtis Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.3 Bi-decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.4 Multiplexer Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Exclusive-OR Sum Of Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Boolean Satisfiability and SAT Modulo Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Reversible Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5.1 Reversible Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5.2 Reversible Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.3 Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6 Quantum Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.1 Quantum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.2 Quantum Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.6.3 Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.7 Cost Metrics for Reversible and Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 322.7.1 Quantum Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.7.2 Number of Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.7.3 Number of Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.7.4 Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7.5 Nearest Neighbor Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.8 Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.8.1 Binary Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.8.2 Quantum Multiple-valued Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . 383 Optimizations and Complexity Analysis on the Reversible Level . . . . . 453.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1.1 Optimization Approaches of Reversible Circuits . . . . . . . . . . 453.1.2 Complexity of Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2 Exact Quantum Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.1 General Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.2 Encoding Using SMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3 Heuristic Quantum Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.1 Simulated Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.3.2 Rewriting Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.3.3 Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.4 Complexity Analysis of Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.4.1 Complexity of Single-target Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.4.2 Complexity of MPMCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.3 Upper Bounds for Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.4.4 Upper Bounds for Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 Optimization and Complexity Analysis on the Mapping Level . . . . . . . 874.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.1.1 Mapping Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.1.2 Complexity of NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.2 Improving the Mapping of Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.2.2 Mapping of Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.2.3 Experimental Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.2.4 Remarks and Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.3 Improving the Mapping of MPMCT Gates to Clifford+T Circuits . . 1074.3.1 Clifford+T Aware Reversible Circuit Mapping . . . . . . . . . . . . 1074.3.2 Proposed Mapping Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.3.3 MPMCT Gates Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.3.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.4 Complexity Analysis of NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.4.1 Upper Bounds for MPMCT Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.4.2 Upper Bounds for Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.4.3 Upper Bounds for NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325 Optimizations and Complexity Analysis on the Quantum Level . . . . . . 1355.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.1.1 Optimization of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.1.2 Complexity of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.2 Depth Optimization for NCV Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405.2.1 General Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.2.2 Optimization Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.2.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1485.3 NCV-cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.3.1 Proposed Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515.3.2 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.3.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.4 Complexity Analysis of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.4.1 Complexity of NCV Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.4.2 Complexity of Clifford+T Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . 1615.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171




