量子加法器:原理、实现与应用
1. 经典加法器转化为量子门
经典的全加法器不是可逆的,因为它没有足够的输出以唯一确定输入,所以它不是量子门。不过,有几种方法可以将其转化为量子门:
- 方法一:异或额外比特
- 通过将全加法器的每个输出与一个额外比特进行异或运算,可将全加法器转变为可逆电路。整个电路可画成一个具有五个输入和五个输出的单一门,此门是可逆的,因此是量子门。
- 虽然可以将这样的大型量子门分解为我们熟悉的小型门,但可能需要很多小型门,而且最佳的分解方法仍是一个研究方向。
- 方法二:用与非门和托佛利门替换
- 全加法器可由两个异或门、两个与门和一个或门组成。一种方法是用(多于五个)与非门替换这五个逻辑门,然后使用托佛利门实现每个与非门,托佛利门是可逆的量子门。但这种方法可能会浪费资源,导致额外的门和量子比特。
- 方法三:直接转换逻辑门
- 直接将每个基本逻辑门(非、与、或、异或、与非、或非)转换为可逆/量子门。具体转换关系如下表所示:
| 经典逻辑门 | 可逆/量子门 |
| — | — |
| 非(NOT) | X 门:$A \xrightarrow{X} A$ |
| 与(AND) | 托佛利门:$A \cdot B \xrightarrow{Toffoli(0)} AB$ |
| 或(OR) | 反托佛利门:$A + B \xrightarrow{anti - Toffoli(1)} A + B$ |
| 异或(XOR) | 两个 CNOT 门:$A \oplus
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