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文章背景与核心概要

在实际量子计算中，高效实现高级量子门是降低硬件开销、提升算法可行性的关键。双量子比特激发算子（double qubit excitation operator）作为许多量子算法（如量子化学模拟）中的基础构件，在实际应用中会被调用数百甚至数千次，因此对其进行电路优化具有极其重要的现实意义。

本文由研究者 Irfansha Shaik 撰写，介绍了一种全新的双量子比特激发算子的 12-CNOT 分解方案，成功刷新了此前 13-CNOT 的技术水平（SOTA）。该工作在 CNOT 数量、CNOT 深度以及总体电路深度上均实现了显著减少，通过对基础原语的优化，为整个量子算法带来了可观的整体资源节省。

A 12-CNOT Double Qubit Excitation Gate

Summary

This paper introduces a novel 12-CNOT decomposition for the double qubit excitation operator, marking an improvement over the previous state-of-the-art (SOTA) 13-CNOT circuits. Authored by Irfansha Shaik, the work demonstrates reductions in CNOT count, CNOT depth, and total circuit depth, offering significant resource optimizations for quantum algorithms where this gate is used as a foundational primitive.

Paper Metadata

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  • arXiv ID: arXiv:2608.11733

  • Subject Category: Quantum Physics (quant-ph), Artificial Intelligence (cs.AI)

    • Subject Category: Quantum Physics (quant-ph), Artificial Intelligence (cs.AI)

  • Author: Irfansha Shaik

    • Author: Irfansha Shaik

  • Submitted: 12 August 2026

    • Submitted: 12 August 2026

  • Latest Revision: 27 August 2026 (v3)

    • Latest Revision: 27 August 2026 (v3)

  • DOI: 10.48550/arXiv.2608.11733

Abstract

高效实现高级量子门对于实用量子计算至关重要。在这项工作中，据我们所知，我们首次报告了双量子比特激发算子的 12-CNOT 分解。我们在 4 个不同的指标上将新电路与先前的 SOTA 13-CNOT 电路进行了比较。

Abstract

Effective implementation of high-level quantum gates is essential for practical quantum computing. In this work, we presented, to the best of our knowledge, the first reported 12-CNOT decomposition of the double qubit excitation operator. We compared our new circuit with the previous SOTA 13-CNOT circuits in 4 different metrics.

我们的新电路实现了： * 最低 CNOT 数量： 12 * 最低 CNOT 深度： 8（约减少 27%） * 最低总电路深度： 15（约减少 25%）

Our new circuit achieves: * Lowest CNOT count: 12 * Lowest CNOT depth: 8 (~27% reduction) * Lowest total circuit depth: 15 (~25% reduction)

通过输出量子比特重新贴标（relabeling），CNOT 深度可进一步降低至 7（相较于 11 减少约 36%）。此外，与表现最好的 SOTA 电路相比，我们仅增加了 2 个额外的 1 量子比特门（从 11 个增加到 13 个）。由于双量子比特激发算子在实际量子算法中作为构建块被使用数百甚至数千次，因此对这种原语的缩减会在整个电路中产生复合效应，从而节省可观的整体资源。

With output qubit relabeling, the CNOT depth can be further reduced to 7 (~36% reduction from 11). Furthermore, we only added 2 extra 1-qubit gates (from 11 to 13) compared to the best of the SOTA circuits. Because the double qubit excitation operator serves as a building block hundreds or thousands of times in practical quantum algorithms, reductions in such primitives compound over the full circuit to yield significant overall resource savings.

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