This article presents a novel algorithmic methodology for performing automated diagrammatic deductions over combinatorial structures, using a combination of modified equational theorem-proving techniques and the extended Wolfram model hypergraph rewriting formalism developed by the authors in previous work. We focus especially upon the application of this new algorithm to the problem of automated circuit simplification in quantum information theory, using Wolfram model multiway operator systems combined with the ZX-calculus formalism for enacting fast diagrammatic reasoning over linear transformations between qubits. We show how to construct a generalization of the deductive inference rules for Knuth-Bendix completion in which equation matches are selected on the basis of causal edge density in the associated multiway system, before proceeding to demonstrate how to embed the higher-order logic of the ZX-calculus rules within this first-order equational framework. After showing explicitly how the (hyper)graph rewritings of both Wolfram model systems and the ZX-calculus can be effectively realized within this formalism, we proceed to exhibit comparisons of time complexity vs. proof complexity for this new algorithmic approach when simplifying randomly-generated Clifford circuits down to pseudo-normal form, as well as when reducing the number of T-gates in randomly-generated non-Clifford circuits, with circuit sizes ranging up to 3000 gates, illustrating that the method performs favorably in comparison with existing circuit simplification frameworks, and also exhibiting the approximately quadratic speedup obtained by employing the causal edge density optimization. Finally, we present a worked example of an automated proof of correctness for a simple quantum teleportation protocol, in order to demonstrate more clearly the internal operations of the theorem-proving procedure.


翻译:此篇文章展示了一种新型的算法方法, 用于对组合结构进行自动图解扣减。 我们展示了如何结合修改的方程式理论验证技术, 以及延长的沃尔夫拉姆模型模型重写作者在先前工作中开发的正规主义。 我们特别侧重于应用这一新算法, 解决量信息理论中的自动电路简化问题, 使用沃尔夫拉姆模型多路操作器系统, 结合ZX计算仪的正规化, 以颁布对qubits之间线性转换的快速图解推理。 我们展示了如何对Knuth- Bendix完成的推导规则进行总体比较, 其中, 以相关多路系统中的因果边缘密度为基础选择了方程式的直径比值。 在开始演示如何将ZX- Calcaulus规则的更高级逻辑逻辑纳入这个一级方程式的方程式中。 明确展示了Wolfram模型和ZX- calulus内部平面框架的( 音律) 如何通过这一正规化来有效地实现。 我们开始比较时, 我们开始比较了直径直径直径直径直径直径直径直径的直径直径,, 的直径直径直径直路路路路路路路路路路路路路路的操作方法, 。

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