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量子物理

arXiv:2503.01467v2 (quant-ph)
[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

Authors:Jens Emil Christensen, Søren Fuglede Jørgensen, Andreas Pavlogiannis, Jaco van de Pol
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。
摘要: Computing a minimum-size circuit that implements a certain function is a standard optimization task. We consider circuits of CNOT gates, which are fundamental binary gates in reversible and quantum computing. Algebraically, CNOT circuits on $n$ qubits correspond to $GL(n,2)$, the general linear group over the field of two elements, and circuit minimization reduces to computing distances in the Cayley graph $G_n$ of $GL(n,2)$ generated by transvections. However, the super-exponential size of $GL(n,2)$ has made its exploration computationally challenging. In this paper, we develop a new approach for computing distances in $G_n$, allowing us to synthesize minimum circuits that were previously beyond reach (e.g., we can synthesize optimally all circuits over $n=7$ qubits). Towards this, we establish two theoretical results that may be of independent interest. First, we give a complete characterization of all isometries in $G_n$ in terms of (i) permuting qubits and (ii) swapping the arguments of all CNOT gates. Second, for any fixed $d$, we establish polynomials in $n$ of degree $2d$ that characterize the size of spheres in $G_n$ at distance $d$, as long as $n\geq 2d$. With these tools, we revisit an open question of [Bataille, 2022] regarding the smallest number $n_0$ for which the diameter of $G_{n_0}$ exceeds $3(n_0-1)$. It was previously shown that $6\leq n_0 \leq 30$, a gap that we tighten considerably to $8\leq n_0 \leq 20$. We also confirm a conjecture that long cycle permutations lie at distance $3(n-1)$, for all $n\leq 8$, extending the previous bound of $n\leq 5$.
评论: 可逆计算 2025
主题: 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2503.01467 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2503.01467v2 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.01467
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Andreas Pavlogiannis [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 3 月 3 日 12:20:48 UTC (66 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 4 月 28 日 17:58:28 UTC (68 KB)
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