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Síntese de circuitos para computação reversível usando Portas Toffoli Generalizadas

dc.contributor.advisorMarquezino, Franklin de Lima
dc.contributor.advisorCo1Kowada, Luis Antonio Brasil
dc.contributor.advisorCo1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6067936254653853pt_BR
dc.contributor.advisorCo2Figueiredo, Celina Miraglia Herrera de
dc.contributor.advisorCo2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3957046121364560pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5727472788265998pt_BR
dc.contributor.referee1Fampa, Márcia Helena Costa
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0523104569378276pt_BR
dc.contributor.referee2Renato Portugal
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2605062132611045pt_BR
dc.contributor.referee3Vilela Neto, Omar Paranaiba
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/6799776599317117pt_BR
dc.creatorDalcumune, Edinelço
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0217943114953276pt_BR
dc.date.accessioned2025-07-01T13:05:18Z
dc.date.available2026-05-16T03:00:16Z
dc.date.issued2021-07
dc.description.abstractWe present a new algorithm for synthesis of reversible circuits from bijective functions. This algorithm uses generalized Toffoli gates, which include positive and negative controls. Our algorithm is divided into two parts. First, we use partially controlled generalized Toffoli gates, progressively increasing the number of controls. Second, exploring the properties of the representation of permutations in disjoint cycles, we apply generalized Toffoli gates with controls on all lines except for the target line. Therefore, new in the method is the fact that the obtained circuits use first low cost gates and consider increasing costs towards the end of the synthesis. In addition, we employ two bidirectional synthesis strategies to improve the gate count, which is the metric used to compare the results obtained by our algorithm with the results presented in the literature. Our experimental results consider all 3-bit bijective functions and twenty widely used benchmark functions. The results obtained by our synthesis algorithm are competitive when compared with the best results known in the literature, considering as a complexity metric just the number of gates, as done by alternative best heuristics found in the literature. For example, for all 3-bit bijective functions using generalized Toffoli gates library, we obtained the best so far average count of 5.23. Our method gives an improvement of 2.8% over the best known result obtained by an heuristic. We also propose a new rule and a new algorithm for post-synthesis optimization of reversible circuits composed of generalized Toffoli gates.pt_BR
dc.description.resumoApresentamos um novo algoritmo para síntese de circuitos reversíveis a partir de funções bijetivas. O algoritmo proposto usa portas Toffoli generalizadas, que incluem controles positivos e negativos. O algoritmo está dividido em duas partes. Primeiro, usamos portas Toffoli parcialmente controladas, com aumento progressivo do número de controles. Segundo, explorando propriedades de representação de permutações através de ciclos disjuntos, aplicamos portas Toffoli generalizadas com controles em todas as linhas exceto pela linha alvo. Portanto, uma das principais vantagens do algoritmo consiste no fato de obtermos circuitos que primeiro usam portas com custo baixo. Além disso, empregamos estratégias de síntese bidirecional para melhorar o número de portas. Comparamos os resultados obtidos pelo nosso algoritmo de síntese com os melhores resultados conhecidos usando a biblioteca de portas Toffoli generalizadas. Para o conjunto formado por todas as funções bijetivas com 3 bits, obtivemos a média de 5,23 portas por função, que é a melhor média de portas até onde sabemos, exceto para procedimentos que dão resultado exato mas não funcionam com funções bijetivas com mais bits. Isso significa uma melhora de 2,8% quando comparado ao melhor resultado conhecido obtido por uma heurística. Para os experimentos com vinte funções usadas como benchmark, obtivemos resultados semelhantes aos encontrados pelos melhores algoritmos da literatura. Além disso, nosso algoritmo de síntese funciona para um número n qualquer de bits. Propomos também uma nova regra e um novo algoritmo para otimização pós-síntese de circuitos reversíveis usando portas Toffoli generalizadas.pt_BR
dc.embargo.termsabertopt_BR
dc.identifier.citationDALCUMUNE, Edinelço. Síntese de circuitos para computação reversível usando Portas Toffoli Generalizadas. 2021. 69 f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Computação, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.pt_BR
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11422/26210
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio de Janeiropt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentInstituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenhariapt_BR
dc.publisher.initialsUFRJpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Computaçãopt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectComputação quânticapt_BR
dc.subjectPortas lógicaspt_BR
dc.subjectCircuitos digitaispt_BR
dc.subjectAlgoritmospt_BR
dc.subjectComputação reversívelpt_BR
dc.subjectOtimizaçãopt_BR
dc.subjectSíntese de circuitospt_BR
dc.subjectQuantum computingpt_BR
dc.subjectCircuit synthesispt_BR
dc.subjectLogic circuitspt_BR
dc.subjectAlgorithmspt_BR
dc.subjectReversible computationpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO::COMPUTABILIDADE E MODELOS DE COMPUTACAOpt_BR
dc.titleSíntese de circuitos para computação reversível usando Portas Toffoli Generalizadaspt_BR
dc.typeTesept_BR

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