Wie zerlegt man bei einer Zerlegung für ein einheitliches


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Angenommen, wir haben eine Schaltungszerlegung eines einheitlichen Verwendung eines universellen Gatesatzes (zum Beispiel CNOT-Gates und einzelne Qubit-Unitaries). Gibt es eine direkte Möglichkeit, den Stromkreis der entsprechenden gesteuerten Einheit C aufzuschreiben?U Verwendung desselben universellen Gate-Sets?CU

Nehmen wir zum Beispiel U=iY=HXHX als Schaltung:
Schaltung für U

Wir können die Gatter durch C X (CNOT) -Gatter ersetzen , um C U zu erhaltenXCXCU :
Schaltung für CU

Dies funktioniert, wenn sich das Kontroll-Qubit im Zustand die Aktion auf dem Ziel ist H 2 = I , während für | 1 ⟩ es gilt die Schaltung für U . Für ein anderes U , insbesondere wenn es auf mehrere Qubits einwirkt, kann das Aufstellen einer solchen Schaltung umständlich sein. Gibt es ein Rezept, um die Schaltung von C U zu erhalten, vorausgesetzt, Sie wissen, wie man U baut ?|0⟩H2=I|1⟩UUCUU


Fragen Sie sich, wie Sie eine CU aus einem beliebigen 1-Qubit-U erstellen können? Eine Methode dazu finden Sie in Kapitel 4 von N & C (siehe z. B. Abbildung 4.6 in der letzten Ausgabe).
— Dies

oh wow, mir war das nicht bewusst. Sieht genauso aus wie mein Beispiel. Gut zu sehen, wie es die Phase implementiert . Aber sie scheinen die Verallgemeinerung auf weitere Ziel-Qubits nicht zu diskutieren? α
— M. Stern

Antworten:


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Die Frage ist möglicherweise nicht vollständig definiert, in dem Sinne, dass Sie die Menge der Gatter angeben müssen, die Sie verwenden möchten, um aus einer Zerlegung von U zu berechnen . In der Tat ist es ein bekanntes Ergebnis, dass jedes n- Qubit-Gatter unter Verwendung von CNOT- und Single-Qubit-Operationen genau zerlegt werden kann , so dass eine naive Antwort auf die Frage wäre: Zerlegen Sie C ( U ) einfach unter Verwendung von Single-Qubit und CNOTs .C(U)UnCNOTC(U)CNOT

Eine andere Interpretation der Frage ist die folgende: gegeben , kann ich compute C ( U ) einen Satz einzelsträngiger Qubit - Operationen und die Verwendung CNOT s nicht auf der Steuer Qubit und CNOT s mit der Steuerung das erste Qubit zu sein? Dies kann durch Verallgemeinerung eines Ergebnisses aus Kapitel 4 von Nielsen & Chuang erreicht werden .UC(U)CNOTCNOT

Sei ein Single-Qubit-Gate. Es kann dann gezeigt werden , dass U immer als geschrieben werden kann , U = e i α A X B X C , wobei X das Pauli X - Gate ist und A , B und C sind Single-Qubit - Operationen derart , daß A B C = I ( siehe N & C für einen Beweis). Daraus folgt, dass C ( U ) = ≤ 1 ( α ) A 2 C ( X ) BUUU=eiαAXBXCXA,BCABC=I wobei Φ 1 ( α ) ≡ ( 1 0 0 e i α ) ⊗ I ist ein Phase Gate mit dem ersten Qubit aufgebracht und A 2 , B 2 , C 2 sind , A , B , C angewandt zum zweiten Qubit. Dies ist unmittelbar, wenn Sie feststellen, dass | das erste Qubit ist 0 ⟩ , dann C ( X )

C(U)=Φ1(α)A2C(X)B2C(X)C2,
Φ1(α)≡(100eiα)⊗IA2,B2,C2A,B,C|0⟩C(X)wird eine Identität, und auf dem zweiten Qubit haben Sie die Operationen , die die Identität geben. Wenn andererseits das erste Qubit | ist 1 ⟩ , dann auf der zweiten Schiene hat man A X B X C , die (zusammen mit der Phase) gleich U per Definition.ABC|1⟩AXBXCU

Die obige Zerlegung kann verwendet werden, um einen naiven Weg zu finden, um für ein allgemeines einheitliches n- Bit-Gatter zu berechnen . Die Hauptbeobachtung ist , dass , wenn U = A 1 A 2 ⋯ A m für jede Gruppe von Gattern { A 1 , . . , A m } , dann C ( U ) = C ( A 1 ) C ( A 2 ) ⋯ C ( A m )C(U)nU=A1A2⋯Am{A1,..,Am}

C(U)=C(A1)C(A2)⋯C(Am).
Wir wissen aber auch, dass jedes Qubit U in CNOTs und Single-Qubit-Operationen zerlegt werden kann. Daraus folgt, dass C ( U ) eine Folge von CCNOT- und C ( V ) -Operationen ist, wobei CCNOT hier ein X- Gatter ist, das auf ein Qubit angewendet wird, das auf zwei andere Qubits konditioniert ist, die | sind 1 ⟩ , und V ist eine Single-Qubit - Operation an einem gewissen Qubit. Aber auch hier kann jede CCNOT-Operation (auch Toffoli genannt ) zerlegt werden, wie in Abbildung 4.9 in N & C gezeigt, und die C ( V )nUC(U)C(V)X|1⟩VC(V) werden wie im ersten Teil der Antwort gezeigt zerlegt.

Dieses Verfahren ermöglicht das Zerlegen eines allgemeinen einheitlichen Qubit-Gatters U unter Verwendung nur von CNOT- und Single-Qubit-Gattern. Sie können dann weiter gehen und dies verallgemeinern, um eine Zerlegung für den Fall mehrerer Kontroll-Qubits zu finden. Zu diesem Zweck benötigen Sie erst jetzt eine Möglichkeit, die Toffoli-Tore zu zerlegen, die wiederum in Abbildung 4.9 von N & C zu finden ist.nUCNOT


U=A1A2…AmC(X)AiC(Ai)C(X)

UC(X)C(X)ijiji,j>1C(U)ij ten Qubit als Ziel. Sie können daher den Toffolis mit den bekannten Zerlegungsverfahren
— glS

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Although this might not answer your question completely, I think it might provide some direction of thinking. Here are two important facts:

  • Any unitary 2n×2n matrix M, can be realized on a quantum computer with n-quantum bits by a finite sequence of controlled-not and single qubit gates1.

  • Suppose U is a unitary 2×2 matrix satisfying tr U≠0, tr(UX)≠0, and det U≠1. Then six elementary gates are necessary and sufficient to implement a controlled U-gate2.

It should be possible to extend the second case to the general n×n case, given the first point, although I haven't found any paper which does that explicitly.


1 Elementary gates for quantum computation-A. Barenco (Oxford), C. H. Bennett (IBM), R. Cleve (Calgary), D. P. DiVincenzo (IBM), N. Margolus (MIT), P. Shor (AT&T), T. Sleator (NYU), J. Smolin (UCLA), H. Weinfurter (Innsbruck)

2 Optimal Realizations of Controlled Unitary Gates - Guang Song, Andreas Klappenecker (Texas A&M University)

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