量子可逆逻辑综合的关键技术及其算法

最优化量子可逆逻辑的关键在于用最小的量子代价自动构造量子可逆逻辑.为了提高可逆逻辑自动生成与优化的效率,提出了类模板技术和一种快速算法.模板技术是一个有效的优化工具,类模板技术可以显著提高模板技术的匹配效率;R-M算法是可逆逻辑综合的一种较好的迭代方法,基于R-M算法的原始思想,构造了一个Hash函数,并在此基础上提出了一种可逆逻辑综合的快速算法.实验结果表明,在同等实验环境下使用类模板技术与快速算法,其优化的效果与效率远远优于已知的其他算法.     

类选择排序的可逆逻辑综合算法

可逆逻辑综合是指对给定的可逆函数自动构造对应的可逆逻辑电路.由于搜索空间随电路规模增长成指数增长,现有的可逆逻辑综合算法虽然能够得到近似最优的解,但是都存在计算时间过长的问题.文中提出了一种类似选择排序的可逆逻辑综合算法,其实质为基于变换规则的合成法.它采用一个无向无权图表示所有可以进行变换的路径,在综合的过程中,采用选择排序思想每次从小到大的选择需要交换的输出项,然后从路径选择图中找到最优的路径进行变换,最终使得函数的输出序列有序即完成综合.此外,文中还对得到的量子电路进行了优化.实验表明,相比其它综合算法,该算法不仅总能获得最优解或近似最优解,而且效率高、易于实现.     

基于规则的可逆Toffoli电路优化算法

可逆电路的优化是可逆逻辑综合的关键问题之一.为了解决可逆Toffoli电路优化问题中算法复杂度高和电路规模可扩充性差的问题,分析归纳了相邻Toffoli门的关系,提出并证明了可逆Toffoli电路中子序列的移动和化简规则,并基于这些规则给出了可逆Toffoli电路的优化算法.根据移动规则对可逆电路进行正向和反向扫描,寻找满足化简规则的子序列进行优化,直到可逆电路不发生变化为止.该优化算法与可逆电路的输入线数无关,无需存储额外信息,适用于各种不同类型的Toffoli电路合成方法,算法复杂度为O(s3),优于通常使用的模板优化的复杂度O(n!t2s3).在具体实例和国际认可的所有3变量可逆函数上的验证结果表明,该优化算法能有效地减少可逆电路的门数和控制位数,降低可逆电路的代价.     

或符合全展开式的分解转换算法

针对现有算法在处理多变量实际电路时间开销较大的问题,提出或符合全展开式的分解转换算法.cj最大项展开式和dj最大项展开式在相同极性下两者之间存在转换矩阵,而矩阵运算复杂度较高,把矩阵的运算简化成与和非的位运算,从而大量地节省了运算时间;在此基础上,将cj最大项展开式分解到不同的分组中,提出了分解算法,避免了矩阵的重复计算,再次缩短了计算时间.为了避免cj最大项展开式中过多最大项而造成转化时间开销增加,还提出了基于cj最小项的分解算法.实验结果表明,包含算法适用于处理小变量,但在处理多变量时时间开销增大,而采用了分解算法后,可极大减少转换时间开销.     

可逆电路的符号综合方法

描述一种基于矩阵模型和符号代数理论的可逆电路的综合方法,其中考虑到面积、时延、串扰等约束.实验结果已清楚地表明了利用这种启发式算法与现有的综合方法相比,在面积上所得结果近似,而总串扰得到了明显的改善.并且其路径时延要减少5%到20%之多.这种综合方法大大的改善了电路的性能,并且对输入输出较多的可逆电路的综合具有潜在的优势.     

一种量子可逆逻辑模板综合算法

模板技术是量子可逆逻辑优化的一个重要手段,其优化程度依赖于模板的完备性.采用遗传算法作为全局搜索工具,提出了一个基于遗传算法的量子可逆逻辑模板综合算法.实验表明,该算法能有效生成新的模板线路,扩充了现有的模板库,提高了优化效率.     

基于位运算的量子可逆逻辑电路快速综合算法

量子可逆逻辑电路是构建量子计算机的基本单元.本文结合可逆逻辑电路综合的多种算法,根据可逆逻辑电路综合的本质是置换问题,巧妙应用位运算构造高效完备的Hash函数,提出了基于Hash表的新颖高效的量子可逆逻辑电路综合算法,可使用多种量子门,以极高的效率生成最优的量子可逆逻辑电路,从理论上实现制造量子电路的成本最低.按照国际同行认可的3变量可逆函数测试标准,该算法不仅能够生成全部最优电路,而且运行速度远远超过其它算法.实验结果表明,该算法按最小长度标准综合电路的平均速度是目前最好结果的69.8倍.     

混合多值可逆逻辑中广义Toffoli门仅用CNOT门的实现

混合多值量子可逆逻辑电路综合问题中,Toffoli门的合成是整个合成过程中最为关键的一步。针对混合多值5-qubits量子可逆逻辑电路综合问题,构造了PMX量子门,验证了CNOT门的合成能力,实现了对Toffoli门的合成,并设计了双向的BDS搜索算法,高效实现了量子电路的最优或者较优综合。     

可逆编程语言R-JAVA及其语言处理系统的设计

为了给基于可逆逻辑综合、可逆电路技术的可逆硬件平台设计可逆软件系统,提出基于JDK的可逆编程语言RJAVA.首先总结可逆编程语言的设计原则,然后为可逆语言R-JAVA设计文法规则和语言处理系统,其语言处理系统提取源程序中的可逆代码段并将其翻译成分别对应正反语义的等价JAVA代码,再将翻译后的JAVA代码交由JDK解释执行.最后通过示例程序表明R-JAVA源程序中的可逆函数既可正向运行,又可反向运行,从软件层次上实现了可逆计算.     

基于正反控制门的可逆逻辑综合

提出一种基于正反控制(PNC)门可逆网络的级联算法,为3位输入/输出函数设计相应的模板,给出级联网络的约简算法。实验结果表明,与Toffoli门级联成的网络相比,使用PNC门的可逆网络中门的数量较少,在降低网络代价方面具有一定优势。     

Heuristic methods to use <Emphasis Type="Italic">don’t cares</Emphasis> in automated design of reversible and quantum logic circuits

This paper introduces a broad concept of don’t cares in reversible and quantum logic circuits. Don’t cares are classified into three categories: inputs, outputs, and conditions. Some heuristic methods to use these don’t cares, when an optimization algorithm such as genetic algorithm is used, are also presented. We show that, these methods decrease the quantum cost of the reversible or quantum logic circuit, as well as the design time of the resulting circuit. Some examples are also synthesized and optimized using the don’t care concept and genetic algorithms.      

基于相似函数与相似网络的可逆网络化简

提出了可逆函数的相似函数及可逆网络的相似网络,在此基础上构建了可逆网络化简方法。由可逆函数求出其所有的相似函数,对每个相似函数利用可逆逻辑综合算法生成可逆网络,再将其转换成对应的相似网络,并从中选取最优。该网络化简算法实现了生成三变量全部可逆函数和多变量可逆函数的可逆网络,与相关文献及Benchmark中的例题相比,构造可逆网络的门数较少,具有一定的优势。     

On Reversible Combinatory Logic

The λ-calculus is destructive: its main computational mechanism – beta reduction – destroys the redex and makes it thus impossible to replay the computational steps. Recently, reversible computational models have been studied mainly in the context of quantum computation, as (without measurements) quantum physics is inherently reversible. However, reversibility also changes fundamentally the semantical framework in which classical computation has to be investigated. We describe an implementation of classical combinatory logic into a reversible calculus for which we present an algebraic model based on a generalisation of the notion of group.     

基于Hash表的量子可逆逻辑电路综合的快速算法

量子可逆逻辑电路是构建量子计算机的基本单元,通过量子门的级联与组合构成量子计算机,量子可逆逻辑电路的综合就是根据电路功能,以较小的量子代价自动构造量子可逆逻辑电路.结合可逆逻辑电路综合的多种算法,提出了一种新颖高效的量子电路综合算法,巧妙构造最小完备的Hash函数,可使用多种量子门,采用任意量子代价标准,以极高的效率生成最优的量子可逆逻辑电路.为实现量子电路综合的自动化,首次提出了利用量子线的置换自动构造各种量子门库的通用算法.采用国际同行认可的3变量可逆函数测试标准,该算法不仅能够生成全部最优电路,而且运行速度远远超过其他算法.实验结果表明,该算法按最小长度、最小代价标准综合电路的平均速度分别是目前最好结果的49.15倍、365.13倍.     

三值量子基本门及其对量子Fourier变换的电路实现

理论上可以把量子基本门组合在一起来实现任何量子电路和构建可伸缩的量子计算机。但由于构建量子线路的量子基本门数量庞大,要正确控制这些量子门十分困难。因此,如何减少构建量子线路的基本门数量是一个非常重要和非常有意义的课题。提出采用三值量子态系统构建量子计算机,并给出了一组三值量子基本门的功能定义、算子矩阵和量子线路图。定义的基本门主要包括三值量子非门、三值控制非门、三值Hadamard门、三值量子交换门和三值控制CR_k门等。通过把量子Fourier变换推广到三值量子态,成功运用部分三值量子基本门构建出能实现量子Fourier变换的量子线路。通过定量分析发现,三值量子Fourier变换的线路复杂度比二值情况降低了至少50%,表明三值量子基本门在降低量子计算线路复杂度方面具有巨大优势。     

基于控制K次平方根非门的类Toffoli门构造方法

在量子电路综合算法中,由于非置换量子门比置换量子门具有更复杂的规则,直接使用非置换量子门会大幅度提高综合算法的复杂性,因此可先使用非置换量子门生成相应的置换量子门,然后再用这些置换量子门综合所求量子可逆逻辑电路,从而提高算法性能。本文重点研究如何用非置换量子门构造新的置换量子门,为此吸收了格雷码的思想,提出了一种高效的递归构造方法,实现使用控制非门和控制K次平方根非门(非置换量子门),快速生成最优的类Toffoli门(置换量子门)。     

A recursive method for synthesizing quantum/reversible quaternary parallel adder/subtractor with look-ahead carry

Multiple-valued quantum logic circuits are a promising choice for future quantum computing technology since they have several advantages over binary quantum logic circuits. Adder/subtractor is the major component of the ALU of a computer and is also used in quantum oracles. In this paper, we propose a recursive method of hand synthesis of reversible quaternary full-adder circuit using macro-level quaternary controlled gates built on the top of ion-trap realizable 1-qudit quantum gates and 2-qudit Muthukrishnan–Stroud quantum gates. Based on this quaternary full-adder circuit we propose a reversible circuit realizing quaternary parallel adder/subtractor with look-ahead carry. We also show the way of adapting the quaternary parallel adder/subtractor circuit to an encoded binary parallel adder/subtractor circuit by grouping two qubits together into quaternary qudit values.