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Sublinear Classical-to-Quantum Data Encoding using n-Toffoli Gates

Pagni, Vitorrio und Schmiedinghoff, Gary und Lively, Kevin und Epping, Michael und Felderer, Michael (2025) Sublinear Classical-to-Quantum Data Encoding using n-Toffoli Gates. [sonstige Veröffentlichung]

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2MB

Offizielle URL: https://arxiv.org/abs/2505.06054v1

Kurzfassung

Quantum state preparation, also known as encoding or embedding, is a crucial initial step in many quantum algorithms and often constrains theoretical quantum speedup in fields such as quantum machine learning and linear equation solvers. One common strategy is amplitude encoding, which embeds a classical input vector of size N=2^n in the amplitudes of an n-qubit register. For arbitrary vectors, the circuit depth typically scales linearly with the input size N, rapidly becoming unfeasible on near-term hardware. We propose a general-purpose procedure with sublinear average depth in N, increasing the window of utility. Our amplitude encoding method encodes arbitrary complex vectors of size N=2^n at any desired binary precision using a register with n qubits plus 2 ancillas and a sublinear number of multi-controlled NOT (MCX) gates, at the cost of a probabilistic success rate proportional to the sparsity of the encoded data. The core idea of our procedure is to construct an isomorphism between target states and hypercube graphs, in which specific reflections correspond to MCX gates. This reformulates the state preparation problem in terms of permutations and binary addition. The use of MCX gates as fundamental operations makes this approach particularly suitable for quantum platforms such as ion traps and neutral atom devices. This geometrical perspective paves the way for more gate-efficient algorithms suitable for near-term hardware applications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/219633/
Dokumentart:sonstige Veröffentlichung
Titel:Sublinear Classical-to-Quantum Data Encoding using n-Toffoli Gates
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Pagni, Vitorriovitorrio.pagni (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmiedinghoff, Garygary.schmiedinghoff (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2259-7365197882724
Lively, Kevinkevin.lively (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2098-1494NICHT SPEZIFIZIERT
Epping, MichaelMichael.Epping (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0950-6801197882734
Felderer, MichaelMichael.Felderer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3818-4442197882764
Datum:9 Mai 2025
Erschienen in:arXiv
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
DOI:10.48550/arXiv.2505.06054
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Quantum algorithm, state preparation, amplitude encoding, Toffoli, reversible computation
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC SW - Software
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - ALQU
Standort: Köln-Porz , Rhein-Sieg-Kreis
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie > High-Performance Computing
Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: Schmiedinghoff, Gary
Hinterlegt am:25 Nov 2025 13:25
Letzte Änderung:03 Dez 2025 20:59

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