这一卷是全站线路图的索引页,不引入新内容,只做归类与对照:把散在各卷里的关键结构按功能重排一遍,并给每张图标出它的定义性词条。想知道”某个结构长什么样”,来这里;想知道”它为什么这样设计”,点进对应词条。所有图由本站的统一量子线路表示生成,全部门型的图例见线路图谱 · 门型对照。

加法与减法

a₂a₁a₀b₂b₁b₀c读出abcMAJUMA:把进位就地变成和位MAJ:把进位写进 bM
进位链的骨架:a 与 b 逐位相加,进位沿最低位向最高位传播

图中 a 与 b 各占三根线,进位 c 单独一根。MAJ 阶段只做一件事:把逐位产生的进位写进 b 的对应位,所以 b 寄存器在这一段被破坏;UMA 阶段再把 b 就地变成和位。理解了这个”先破坏再修复”的两段式,就理解了 CDKM 全部设计的动机——它正是用一个辅助比特换掉了每位一个进位寄存器的方案。

具体变体(QFT 加法器、并行前缀、进位先行、常数加法器、negadd)见加法与减法卷。

模运算

a₂a₁a₀t₂t₁a和 t① ADD:a+b,n 位,可能溢出② MOD-REDUCE:比较 t≥N 则减 N借位出 = 0 ⟺ t ≥ N
模 N 加法的两段结构:先加,再按需减一次

模 加法是免费的(丢弃进位即可),模任意 才需要第②段。第②段的成本几乎全在比较器上——这解释了为什么各家的模加法方案在”辅助比特 vs 深度”上分歧最大。细节见模运算卷。

乘法

Karatsuba 的三个子区间划分是理解可逆乘法的关键:

a₂a₁a₀b₂b₁b₀abz₀ = a₀b₀z₂ = a₁b₁z₁ =(a₀+a₁)(b₀+b₁) −z₀ − z₂累加 ab = z₀ + 2z₁ + 4z₂
Karatsuba 顶层:三次半位宽乘法,三个子区间

注意这里没有画输出寄存器。这不是遗漏,而是这一族线路的核心特点:Karatsuba 的精髓在于让递归调用直接把结果累加进输出寄存器的子区间,从而根本不需要存储中间结果,也就不需要反计算。乘法器从 辅助位降到 用的正是这个机制。详见Karatsuba 乘法器。

量子傅里叶变换

q₄q₃q₂q₁q₀L₀:H(q₄) + 与全部比特的受控相位L₁L₂L₃HPPPP递归到剩余 n−1 比特HPPPHPPHPH
QFT 的递归层结构:每层一个 H 加一串受控相位

这张图同时暴露了 QFT 路线在算术中的两个痛点:受控相位的角度越来越小(最内层只有 弧度),每一个都需要单独合成。截断这些小角度就是近似 QFT,而把角度用连续的受控旋转代替则是模幂卷里 QPE 的做法。

测量与经典控制

ψ相位比特数据c受控 U乘以 U 的一半H M H
半经典控制的骨架:每轮只留一位,测量后喂回经典寄存器

这是半经典模幂与semi-QPE的公共骨架。关键在于每一轮只保留一个量子比特,其余全部交给经典寄存器——空间从 量子比特降到 ,代价是需要 轮串行。

怎么用这一卷

图谱页按功能给图,词条页给理由与成本,检索底稿给出处。三者的分工是刻意的:看图 → 查词条 → 核文献,不用在图上纠结为什么,也不用为了一个数字去翻十几篇论文。

延伸阅读