Reversible and Quantum Circuits: Optimization and Complexity Analysis
186Reversible and Quantum Circuits: Optimization and Complexity Analysis
186Hardcover(1st ed. 2016)
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Overview
Product Details
ISBN-13: | 9783319319353 |
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Publisher: | Springer International Publishing |
Publication date: | 06/07/2016 |
Edition description: | 1st ed. 2016 |
Pages: | 186 |
Product dimensions: | 6.10(w) x 9.25(h) x (d) |
About the Author
Rolf Drechsler is head of Cyber-Physical Systems department at the German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI) since 2011. Furthermore, he is a Full Professor at the Institute of Computer Science, University of Bremen, since 2001. Before, he worked for the Corporate Technology Department of Siemens AG, and was with the Institute of Computer Science, Albert-Ludwig University of Freiburg/Breisgau, Germany. Rolf Drechsler received the Diploma and Dr. Phil. Nat. degrees in computer science from the Goethe-University in Frankfurt/Main, Germany, in 1992 and, respectively, 1995. Rolf Drechsler focusses in his research at DFKI and in the Group for Computer Architecture, which he is heading at the Institute of Computer Science of the University of Bremen, on the development and design of data structures and algorithms with an emphasis on circuit and system design.
Table of Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 11.1 Book Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 Optimization of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Complexity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Boolean Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Boolean Function Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Ashenhurst Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Curtis Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Bi-decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Multiplexer Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Exclusive-OR Sum Of Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Boolean Satisfiability and SAT Modulo Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Reversible Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.1 Reversible Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5.2 Reversible Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.3 Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Quantum Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.1 Quantum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.2 Quantum Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.3 Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7 Cost Metrics for Reversible and Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7.1 Quantum Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7.2 Number of Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.3 Number of Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.4 Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7.5 Nearest Neighbor Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8 Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8.1 Binary Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8.2 Quantum Multiple-valued Decision Diagrams . . . . . . . . . . . . 38
3 Optimizations and Complexity Analysis on the Reversible Level . . . . . 45
3.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Optimization Approaches of Reversible Circuits . . . . . . . . . . 45
3.1.2 Complexity of Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2 Exact Quantum Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 General Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.2 Encoding Using SMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Heuristic Quantum Cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.1 Simulated Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 Rewriting Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3 Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4 Complexity Analysis of Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.1 Complexity of Single-target Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.2 Complexity of MPMCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.3 Upper Bounds for Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.4.4 Upper Bounds for Reversible Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864 Optimization and Complexity Analysis on the Mapping Level . . . . . . . 87
4.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.1 Mapping Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.2 Complexity of NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2 Improving the Mapping of Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.2 Mapping of Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.3 Experimental Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.2.4 Remarks and Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 Improving the Mapping of MPMCT Gates to Clifford+T Circuits . . 107
4.3.1 Clifford+T Aware Reversible Circuit Mapping . . . . . . . . . . . . 107
4.3.2 Proposed Mapping Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.3 MPMCT Gates Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4 Complexity Analysis of NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4.1 Upper Bounds for MPMCT Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.4.2 Upper Bounds for Single-target Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.3 Upper Bounds for NCT Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Optimizations and Complexity Analysis on the Quantum Level . . . . . . 135
5.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.1 Optimization of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.2 Complexity of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2 Depth Optimization for NCV Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.1 General Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.2 Optimization Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3 NCV-cost Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.1 Proposed Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.2 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.3 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.4 Complexity Analysis of Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4.1 Complexity of NCV Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4.2 Complexity of Clifford+T Quantum Circuits . . . . . . . . . . . . . 161
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171