面向新兴 VLSI 系统的 IBM Qiskit 中基于 Clifford+T 映射的量子算术逻辑单元设计流程

《Integration》：A Quantum Arithmetic Logic Unit Design Flow in IBM Qiskit with Clifford+T Mapping for Emerging VLSI Systems

【字体：大中小】 时间：2026年09月02日 来源：Integration 2.5

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　　 •在一个面向 EDA 的 Qiskit 流程中开发了一个量子算术逻辑单元。••可逆算术和逻辑模块被综合并分解为 Clifford+T。••完整的 QALU 通过电路级仿真和测量分析进行了验证。••在比特翻转、退极化和阻尼误差下评估了感知噪声的行为。••所提出的框架将量子 AL

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在一个面向 EDA 的 Qiskit 流程中开发了一个量子算术逻辑单元。
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•可逆算术和逻辑模块被综合并分解为 Clifford+T。
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•完整的 QALU 通过电路级仿真和测量分析进行了验证。
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•在比特翻转、退极化和阻尼误差下评估了感知噪声的行为。
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•所提出的框架将量子 ALU 设计与新兴的 VLSI 验证需求联系起来。

引言

超大规模集成电路（VLSI）仍然是现代数字系统的基础，并在电路设计、验证、测试以及针对日益复杂的集成架构的电子设计自动化（EDA）中继续发挥核心作用 [1], [2]。几十年来，CMOS 技术在计算性能、集成密度和功能复杂性方面取得了显著进展 [1], [3]。然而，随着技术缩放向更具限制性的物理区域发展，传统设计方法面临着来自能耗、漏电流、器件变异性、互连延迟和制造复杂性增加的日益增长的压力 [1]。这些局限性促使人们探索新兴计算模型和后 CMOS 设计方法，以支持下一代高效计算平台 [1]。

在这一不断发展的格局中，量子计算和可逆逻辑作为信息保持和资源感知计算的有前景的替代方案，受到了广泛关注 [4], [5], [6]。在量子电路中，信息通过量子比特、叠加和幺正变换进行处理，而可逆门为构建量子兼容的数字功能提供了重要的综合基础 [7]。尽管如此，实用量子算术逻辑单元（QALU）的设计仍然具有挑战性。有用的 QALU 必须支持多种算术和逻辑功能，同时仔细控制关键的可逆设计指标，如量子成本、垃圾输出、辅助输入和门计数 [8], [9], [10], [11]。此外，设计必须能分解为如 Clifford+T 等通用门库，与基于软件的综合和优化流程兼容，并能在感知噪声的仿真下进行评估，因为退相干、门不完美和测量误差强烈影响量子电路的可实现性 [12], [13], [14]。这些要求使得 QALU 的发展与设计方法、优化和验证中面向 VLSI 的关注点高度相关。

受这些挑战的驱动，本工作提出了一种在 IBM Qiskit [15] 中实现和分析的量子算术逻辑单元设计流程。所提出的方法在统一的面向 EDA 的框架内结合了可逆逻辑综合、模块化算术和逻辑单元构建、Clifford+T 映射、代表性功能验证和基于仿真器的噪声分析。算术单元相对于所选的算术比较基准实现了量子成本降低 9.09%。在完整架构层面，所提出的 QALU 需要 9 个门计数、3 个常数输入、13 个垃圾输出和 38 的量子成本，同时支持 16 种总操作模式。与之前的最佳工作相比，完整的 QALU 实现了门计数降低 43.75%，常数输入降低 25.00%，量子成本降低 13.64%，以及支持操作增加 23.08%。因此，本工作的主要贡献不仅在于开发了一种可逆 QALU 结构，还在于为新兴量子计算系统提出了一种相关的 VLSI 设计和验证方法。

本研究的主要贡献如下：

开发面向电子设计自动化的拟议量子算术逻辑单元设计流程，专注于可逆逻辑优化和量子成本降低。

通过代表性仿真案例在 IBM Qiskit 中构建和验证拟议的算术单元、逻辑单元和整体量子算术逻辑单元架构。

将逻辑单元和完整的量子算术逻辑单元映射到 Clifford+T 门库，以支持面向硬件的分解和标准容错分析。

在 Qiskit Aer 中分析拟议逻辑单元在比特翻转、退极化、振幅阻尼和相位阻尼噪声信道下的行为。

通过 IBM Qiskit 中的资源感知评估，评估拟议设计的软件级实现特性。

本文的其余部分组织如下。第 2 节讨论了面向 VLSI 的动机、量子计算背景、可逆逻辑基础以及全文使用的主要设计指标。第 3 节总结了可逆和量子算术逻辑单元设计的相关工作。第 4 节介绍了拟议的量子算术逻辑单元，涵盖整体设计原理、算术和逻辑单元实现、优化过程以及基于 IBM Qiskit 的实现框架。第 5 节提供了仿真结果和对比评估，包括功能验证、Clifford+T 分解、感知噪声分析以及与现有设计的性能比较。第 6 节总结全文并概述未来工作。

章节摘要

量子计算和可逆门

VLSI 设计历来由 CMOS 技术主导；然而，持续的技术缩放越来越受到功耗、变异性和器件级复杂性的限制 [1]。出于这个原因，新兴计算模型不仅因其算法潜力而受到关注，还因其所需的新综合、分解和验证方法而受到关注。在量子模型中，信息由量子比特而不是经典比特表示 [16]。

面向新兴后 CMOS 计算的拟议量子 ALU

尽管基于 CMOS 的 VLSI 驱动现代计算数十年，但持续的技术缩放不再提供早期世代所特征的速度、功耗和集成密度的同时改进 [1], [3]。在先进技术节点中，性能和效率越来越受到功率密度约束、散热、漏电流、短沟道效应、器件变异性、互连延迟以及制造和日益增长的复杂性的限制

仿真结果与对比评估

本节介绍了拟议 QALU 的软件环境、评估参数、验证策略和对比结果。目标不仅是确认可逆算术和逻辑单元的功能正确性，还要从感知量化和面向 VLSI 的设计流程角度评估整体设计的实现适用性。因此，拟议的 QALU 通过基于 IBM Qiskit 的电路构建、仿真进行评估，

结论与未来工作

本工作提出了一种在 IBM Qiskit 框架内开发和分析的可逆 QALU。拟议的设计未被仅仅视为一个孤立的电路；相反，它被制定为一种结构化的设计方法，连接了可逆综合、门级构建、量子分解、基于软件的验证和感知噪声仿真。整体 QALU 架构由协调的算术和逻辑单元以及基于 FRG 的输出选择阶段组成，所有

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响了本文中报告的工作。

Neeraj Kumar Misra|Nirupma Pathak|Seyed Sajad Ahmadpour|Mojtaba Noorallahzadeh

引言