10、量子电路的架构感知分解

量子电路的架构感知分解

1. 背景

在过去十年中，量子计算领域取得了显著进展，可演示的量子计算机应运而生。经典计算中，信息的基本单位是比特，其取值为 0 或 1；而量子计算则基于量子比特（qubit）进行处理，量子比特可以处于基态 $|0⟩$ 或 $|1⟩$，也能处于叠加态：$\psi = \alpha|0⟩ + \beta|1⟩$，其中 $|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$。

量子比特的状态可通过基本量子门操作来改变。在实际应用中，多数量子门库中的门操作作用于一个或两个量子比特。其中，Clifford + T 库是较为流行的量子门库之一，包含 Hadamard（H）、NOT（X）、受控 NOT（CNOT）和相移（T）门，该库具有通用性和容错性。量子电路由一系列按顺序作用于一组量子比特的量子门级联而成。

量子计算机的架构决定了量子比特之间的相互作用方式。通常，量子计算机由一组量子比特和它们之间的互连模式组成。只有相邻连接的量子比特对才能直接进行双量子比特门操作，这种互连模式被称为耦合约束。例如，IBM Q27 27 量子比特架构中，每个量子比特最多与三个相邻量子比特相连；而 20 量子比特的六边形架构中，每个量子比特最多与六个其他量子比特相连。

在许多量子算法中，部分关键步骤需要执行一系列可逆操作。常见的可逆门包括 NOT、受控 - NOT（CNOT）、Toffoli 和多控制 Toffoli（MCT）门。很多合成方法会生成由 MCT 门级联组成的网表，但在量子计算机上执行时，这些 MCT 门必须先分解为原生量子门网表。常用的量子门库有 NCV 和 Clifford + T。

在分解 MCT 门的过程中，可能需要额外的量