論文の概要: Quantum circuit for multi-qubit Toffoli gate with optimal resource
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2402.05053v1
- Date: Wed, 7 Feb 2024 17:53:21 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-02-08 14:16:00.820923
- Title: Quantum circuit for multi-qubit Toffoli gate with optimal resource
- Title(参考訳): 最適資源を有するマルチ量子ビットトッフォリゲートの量子回路
- Authors: Junhong Nie, Wei Zi, Xiaoming Sun
- Abstract要約: 我々は、$O(log n)$-depthと$O(n)$-sizeしか持たない、$n$-Toffoliゲートと一般的なマルチコントロールユニタリのための新しい量子回路を設計する。
我々は、補助量子ビットを使わずに、マルチキュービットトフォリゲートの量子回路の実装には指数的精度のゲートを使わなければならないことを示した。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 6.727984016678534
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Resource consumption is an important issue in quantum information processing,
particularly during the present NISQ era. In this paper, we investigate
resource optimization of implementing multiple controlled operations, which are
fundamental building blocks in the field of quantum computing and quantum
simulation. We design new quantum circuits for the $n$-Toffoli gate and general
multi-controlled unitary, which have only $O(\log n)$-depth and $O(n)$-size,
and only require $1$ ancillary qubit. To achieve these results, we explore the
potential of ancillary qubits and discover a method to create new conditional
clean qubits from existed ancillary qubits. These techniques can also be
utilized to construct an efficient quantum circuit for incrementor, leading to
an implementation of multi-qubit Toffoli gate with a depth of $O(\log^2n)$ and
size of $O(n)$ without any ancillary qubits. Furthermore, we explore the power
of ancillary qubits from the perspective of resource theory. We demonstrate
that without the assistance of ancillary qubit, any quantum circuit
implementation of multi-qubit Toffoli gate must employ exponential precision
gates. This finding indicates a significant disparity in computational power of
quantum circuits between using and not using ancillary qubits. Additionally, we
discuss the comparison of the power of ancillary qubits and extra energy levels
in quantum circuit design.
- Abstract(参考訳): 資源消費は、量子情報処理において、特に現在のnisq時代に重要な問題である。
本稿では,量子計算と量子シミュレーションの分野における基本構成要素である複数の制御操作を実装するための資源最適化について検討する。
我々は、n$-toffoliゲートと一般マルチコントロールユニタリのための新しい量子回路を設計し、これは、o(\log n)$-depthと$o(n)$-sizeしか持たず、補助量子ビットは1ドルしか必要としない。
これらの結果を得るため, アクビットの可能性を探求し, 既存のクビットから新しい条件付きクビットを作成する方法を発見する。
これらの手法は、増分器のための効率的な量子回路を構築するためにも利用することができ、深さが$O(\log^2n)$とサイズが$O(n)$のマルチキュービットトフォリゲートの実装につながる。
さらに,資源理論の観点から,漸近量子ビットのパワーを考察する。
量子ビットの補助がなければ、マルチ量子ビットのトッフォリゲートの量子回路実装は指数関数的精度ゲートを使わなければならない。
この発見は、量子回路の計算能力において、Acillary qubitsの使用と使用との間に大きな差異があることを示唆している。
さらに,量子回路設計における副次量子ビットのパワーと余剰エネルギーレベルの比較について検討する。
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