[发明专利]量子n位全加器

说明书

量子n位全加器，第一步：使用两个CNOT门和一个Toffoli门完成一个半加器的设计；第二步：是采用超前进位的方式设计n位量子全加器，并利用n位量子全加器进行；加法操作；第三步：使用NOT门对减数取反再加1完成取补码过程，然后通过加法器实现减法操作，以减少可逆逻辑电路的能量损耗。本发明方案适用于设计量子计算机并行加减器。为了减少可逆逻辑电路的能量损耗，本文设计的新型n位量子全加器，实现n位量子态的加法和减法操作过程；在进行减法操作时，求出减数的补码与被减数相加，并通过最高标志位c_out判断加减操作的溢出情况。该量子全加器采用超前进位方式且输入不含有进位控制位，与以往的全加器相比量子代价较低。

技术领域

本发明主要用于量子计算机。

背景技术

计算机的能耗问题是一个潜在难题。在设计超大规模集成电路时，都不可避免的会存在着功耗问题，且功耗一旦失去便不能以任何方式收回。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种量子n位全加器，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

量子n位全加器，其特征在于：

第一步：

使用两个CNOT门和一个Toffoli门完成一个半加器的设计；

第二步：是采用超前进位的方式设计n位量子全加器，并利用n位量子全加器进行

加法操作；

第三步：使用NOT门对减数取反再加1完成取补码过程，然后通过加法器实现减法操作，以减少可逆逻辑电路的能量损耗。

第一步中的半加器的设计由两个CNOT门和一个Toffoli门组成，其中|a和|b是两个输入值，|0是辅助量子位，|sum是相加后的结果，|cout是进位值；整个量子操作过程用式(1)表示：

|a|b|0|0→|a|b|sum|cout (1)

其中辅助量子位输出为：

第二步中n位量子全加器设计并利用n位量子全加器进行加法操作；使用3n个CNOT门和2n-1个Toffoli门实现n位量子的加法操作；其中{|a₁|a₂...|a_n}和{|b₁|b₂...|b_n}是输入值，{|s₁|s₂...|s_n}是相加后的结果值，{|c₁|c₂...|c_n}是进位值，|c_out是溢出标志位；|0是辅助量子位；整个加法操作过程用式(3)表示：

令其中辅助量子位输出：

在式(4)(6)(8)中代表一个CNOT门，式(5)(7)分别代表一个Toffoli门，i表示第i个量子基态；a₁b₁表示量子位a₁和量子位b₁进行量子与门计算；n位全加器花费的代价不超过O(4n+1)。