論文の概要: Stesso: A reconfigurable decomposition of $n$-bit Toffoli gates using symmetrical logical structures and adjustable support qubits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.26116v1
• Date: Thu, 30 Oct 2025 03:58:02 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-31 16:05:09.651618
• Title: Stesso: A reconfigurable decomposition of $n$-bit Toffoli gates using symmetrical logical structures and adjustable support qubits
• Title（参考訳）: Stesso:対称論理構造と調整可能なサポート量子ビットを用いた$n$-bit Toffoliゲートの再構成可能な分解
• Authors: Shanyan Chen, Ali Al-Bayaty, Xiaoyu Song, Marek Perkowski,
• Abstract要約: 本稿では, アンシラ量子ビットを用いて, $(n+1)$-bit Toffoli ゲートを効率的に分解する構造設計手法を提案する。 実験により、$(n+1)$-bit Toffoli ゲートは常に従来の合成法よりも量子コストが低いことが証明されている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.349579657464914
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: An $(n+1)$-bit Toffoli gate is mainly utilized to construct other quantum gates and operators, such as Fredkin gates, arithmetical adders, and logical comparators, where $n \geq 2$. Several researchers introduced different methods to decompose $(n+1)$-bit Toffoli gates in a quantum circuit into a set of standard 3-bit Toffoli gates or a set of elementary quantum gates, such as single-qubit and two-qubit gates. However, these methods are not effectively reconfigurable for linearly connected symmetrical structures (layouts) of contemporary quantum computers, usually utilizing more ancilla qubits. This paper introduces a new structural design method to effectively decompose $(n+1)$-bit Toffoli gates by utilizing configurable ancilla qubits, which we named the ``support qubits". Collectively, we call our decomposition method for symmetrical structures using support qubits the ``step-decreasing structures shaped operators (Stesso)". The main advantage of Stesso is to configurable construct different decomposed operators of various polarities and intermediate sub-circuits, such as Positive Polarity-Stesso, Mixed Polarity-Stesso, and Generalized-Stesso. With Stesso, it has been experimentally proven that $(n+1)$-bit Toffoli gates always have lower quantum costs than using conventional composition methods.
• Abstract（参考訳）: $(n+1)$-bit Toffoli ゲートは、主に、Fredkin ゲート、算術加算器、論理コンパレータなどの他の量子ゲートや演算子を構築するために使われる。 いくつかの研究者は、量子回路の$(n+1)$-bitトフォリゲートを標準3ビットトフォリゲートのセットまたは1量子ビットと2量子ビットゲートのような基本量子ゲートのセットに分解する様々な方法を導入した。 しかしながら、これらの手法は現代の量子コンピュータの線形連結対称構造(レイアウト)に対して効果的に再構成することができず、通常より多くのアンシラ量子ビットを利用する。 本稿では, 構成可能なアンシラ量子ビットを用いて, $(n+1)$-bit Toffoli ゲートを効果的に分解する構造設計手法を提案する。 ステッソの主な利点は、Positive Polarity-Stesso、Mixed Polarity-Stesso、Generalized-Stessoのような様々な極性および中間部分回路の異なる分解作用素を構成可能であることである。 Stessoでは、$(n+1)$-bit Toffoliゲートが従来の合成法よりも低い量子コストを持つことが実験的に証明されている。

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