量子物理
[提交于 2025年3月3日
(v1)
,最后修订 2025年4月28日 (此版本, v2)]
标题: 关于最小CNOT电路的确切大小
标题: On Exact Sizes of Minimal CNOT Circuits
摘要: 计算实现某一特定函数的最小尺寸电路是一项标准的优化任务。 我们研究了CNOT门组成的电路,这些门是可逆和量子计算中的基本二进制门。 从代数角度来看, $n$量子比特上的CNOT电路对应于$GL(n,2)$(两个元素域上的广义线性群),而电路最小化可以归结为计算由换位生成的$GL(n,2)$的Cayley图$G_n$中的距离。 然而,$GL(n,2)$的超指数级大小使得对其探索在计算上极具挑战性。 本文提出了一种新的方法来计算$G_n$中的距离,使我们能够合成之前无法触及的最小电路(例如,我们可以对所有$n=7$量子比特上的电路进行最优合成)。 为此,我们建立了两个可能具有独立兴趣的理论成果。 首先,我们通过以下两种方式给出了 $G_n$ 中所有等距变换的完整刻画:(i) 对量子位进行置换;(ii) 交换所有 CNOT 门的参数。 其次,对于任意固定的 $d$,我们构建了 $n$ 中次数为 $2d$ 的多项式,这些多项式刻画了 $G_n$ 中距离为 $d$ 的球体的大小,只要 $n\geq 2d$。 利用这些工具,我们重新审视了[Bataille, 2022] 中的一个开放问题,即使得 $n_0$ 的直径超过 $G_{n_0}$ 的最小数 $3(n_0-1)$。 此前已证明 $6\leq n_0 \leq 30$,我们显著缩小了这一差距至 $8\leq n_0 \leq 20$。 我们还证实了一个猜想,即长循环置换的距离为 $3(n-1)$,对于所有的 $n\leq 8$,扩展了之前 $n\leq 5$ 的界限。
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