Decomposition of multicontrolled single-qubit special unitary operators

Abstract

Avanços recentes na computação quântica têm recebido atenção significativa da comunidade científica, impulsionando intensas iniciativas em pesquisa e desenvolvimento. Tais esforços visam aproveitar fenômenos quânticos na resolução de problemas computacionalmente desafiadores. Na busca por explorar esse potencial, a investigação de estratégias para superar as limitações de dispositivos quânticos ruidosos de escala intermediária (NISQ) emergiu como uma frente de pesquisa decisiva. Essa linha de pesquisa tem o potencial de viabilizar aplicações práticas de tecnologias quânticas no curto prazo. Este trabalho concetra-se na decomposição de operadores quânticos multicontrolados para auxiliar na mitigação de algumas das restrições de dispositivos NISQ. Em particular, são estudadas versões multicontroladas de operadores SU(2) de um qubit, com n qubits de controle. Aprimoramos a síntese desses operadores em relação ao estado da arte à época da proposição deste trabalho, reduzindo o número de portas CNOT necessárias de 28n - 88 (n par) ou 28n - 92 (n ímpar) para 20n - 38 (n ímpar) ou 20n - 42 (n par)—ou para 16n, caso a matriz do operador unitário especial apresente diagonal principal ou secundária com elementos reais. Esse resultado motiva investigações futuras em busca de abordagens ainda mais eficientes para a decomposição de operadores de um qubit com múltiplos controles.