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Graph-theoretic Simplification of Quantum Circuits with the ZX-calculus
arXiv - CS - Logic in Computer Science Pub Date : 2019-02-08 , DOI: arxiv-1902.03178 Ross Duncan and Aleks Kissinger and Simon Perdrix and John van de Wetering
arXiv - CS - Logic in Computer Science Pub Date : 2019-02-08 , DOI: arxiv-1902.03178 Ross Duncan and Aleks Kissinger and Simon Perdrix and John van de Wetering
We present a completely new approach to quantum circuit optimisation, based
on the ZX-calculus. We first interpret quantum circuits as ZX-diagrams, which
provide a flexible, lower-level language for describing quantum computations
graphically. Then, using the rules of the ZX-calculus, we give a simplification
strategy for ZX-diagrams based on the two graph transformations of local
complementation and pivoting and show that the resulting reduced diagram can be
transformed back into a quantum circuit. While little is known about extracting
circuits from arbitrary ZX-diagrams, we show that the underlying graph of our
simplified ZX-diagram always has a graph-theoretic property called generalised
flow, which in turn yields a deterministic circuit extraction procedure. For
Clifford circuits, this extraction procedure yields a new normal form that is
both asymptotically optimal in size and gives a new, smaller upper bound on
gate depth for nearest-neighbour architectures. For Clifford+T and more general
circuits, our technique enables us to to `see around' gates that obstruct the
Clifford structure and produce smaller circuits than naive
'cut-and-resynthesise' methods.
中文翻译:
量子电路的图论简化与 ZX 演算
我们提出了一种基于 ZX 演算的全新量子电路优化方法。我们首先将量子电路解释为 ZX 图,它提供了一种灵活的低级语言来以图形方式描述量子计算。然后,使用 ZX-演算的规则,我们给出了基于局部互补和旋转两种图变换的 ZX-图的简化策略,并表明得到的简化图可以转换回量子电路。虽然对从任意 ZX 图中提取电路知之甚少,但我们表明,我们简化的 ZX 图中的底层图始终具有称为广义流的图论特性,这反过来又产生了确定性的电路提取过程。对于克利福德赛道,这个提取过程产生了一个新的范式,它在大小上是渐近最优的,并且为最近邻架构提供了一个新的、更小的门深度上限。对于 Clifford+T 和更一般的电路,我们的技术使我们能够“观察”阻碍 Clifford 结构的门,并产生比简单的“剪切再合成”方法更小的电路。
更新日期:2020-07-01
中文翻译:
量子电路的图论简化与 ZX 演算
我们提出了一种基于 ZX 演算的全新量子电路优化方法。我们首先将量子电路解释为 ZX 图,它提供了一种灵活的低级语言来以图形方式描述量子计算。然后,使用 ZX-演算的规则,我们给出了基于局部互补和旋转两种图变换的 ZX-图的简化策略,并表明得到的简化图可以转换回量子电路。虽然对从任意 ZX 图中提取电路知之甚少,但我们表明,我们简化的 ZX 图中的底层图始终具有称为广义流的图论特性,这反过来又产生了确定性的电路提取过程。对于克利福德赛道,这个提取过程产生了一个新的范式,它在大小上是渐近最优的,并且为最近邻架构提供了一个新的、更小的门深度上限。对于 Clifford+T 和更一般的电路,我们的技术使我们能够“观察”阻碍 Clifford 结构的门,并产生比简单的“剪切再合成”方法更小的电路。