void quantum_toffoli(int control1, int control2, int target, int *state,
                     int size) {
  int i;
  for (i = 0; i < size; i++) {
    if (state[i] & (1 << control1))
      if (state[i] & (1 << control2))
        state[i] ^= (1 << target);
  }
}


x86 assembly (clang, -O0):
<quantum_toffoli>:
push   %rbp
mov    %rsp,%rbp
mov    %edi,-0x4(%rbp)
mov    %esi,-0x8(%rbp)
mov    %edx,-0xc(%rbp)
mov    %rcx,-0x18(%rbp)
mov    %r8d,-0x1c(%rbp)
movl   $0x0,-0x20(%rbp)
mov    -0x20(%rbp),%eax
cmp    -0x1c(%rbp),%eax
jge    119c <quantum_toffoli+0x9c>
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    -0x4(%rbp),%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%edx
mov    %edx,%ecx
and    %ecx,%eax
cmp    $0x0,%eax
je     1189 <quantum_toffoli+0x89>
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,4),%eax
mov    -0x8(%rbp),%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%edx
mov    %edx,%ecx
and    %ecx,%eax
cmp    $0x0,%eax
je     1184 <quantum_toffoli+0x84>
mov    -0xc(%rbp),%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%edx
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
xor    (%rax,%rcx,4),%edx
mov    %edx,(%rax,%rcx,4)
jmp    1189 <quantum_toffoli+0x89>
jmp    118e <quantum_toffoli+0x8e>
mov    -0x20(%rbp),%eax
add    $0x1,%eax
mov    %eax,-0x20(%rbp)
jmp    111c <quantum_toffoli+0x1c>
pop    %rbp
ret

x86 assembly (clang, -O2):
<quantum_toffoli>:
test   %r8d,%r8d
jle    1259 <quantum_toffoli+0x159>
mov    %rcx,%rax
mov    $0x1,%r9d
mov    %esi,%ecx
shl    %cl,%r9d
mov    $0x1,%esi
mov    %edx,%ecx
shl    %cl,%esi
mov    %r8d,%r10d
bts    %edi,%r9d
cmp    $0x8,%r8d
jae    1134 <quantum_toffoli+0x34>
xor    %edx,%edx
jmp    1269 <quantum_toffoli+0x169>
mov    %r10d,%edx
and    $0xfffffff8,%edx
movd   %r9d,%xmm0
pshufd $0x0,%xmm0,%xmm0
lea    0x0(,%r10,4),%r8
and    $0xffffffffffffffe0,%r8
xor    %edi,%edi
jmp    116d <quantum_toffoli+0x6d>
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
xchg   %ax,%ax
add    $0x20,%rdi
cmp    %rdi,%r8
je     1254 <quantum_toffoli+0x154>
movdqu (%rax,%rdi,1),%xmm1
movdqa %xmm1,%xmm2
pand   %xmm0,%xmm2
pcmpeqd %xmm0,%xmm2
movd   %xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     1190 <quantum_toffoli+0x90>
movd   %xmm1,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x2,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     11a9 <quantum_toffoli+0xa9>
pshufd $0x55,%xmm1,%xmm3
movd   %xmm3,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x4(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x4,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     11c2 <quantum_toffoli+0xc2>
pshufd $0xee,%xmm1,%xmm3
movd   %xmm3,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x8(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x6,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     11db <quantum_toffoli+0xdb>
pshufd $0xff,%xmm1,%xmm1
movd   %xmm1,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0xc(%rax,%rdi,1)
movdqu 0x10(%rax,%rdi,1),%xmm1
movdqa %xmm1,%xmm2
pand   %xmm0,%xmm2
pcmpeqd %xmm0,%xmm2
movd   %xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     1200 <quantum_toffoli+0x100>
movd   %xmm1,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x10(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x2,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     1219 <quantum_toffoli+0x119>
pshufd $0x55,%xmm1,%xmm3
movd   %xmm3,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x14(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x4,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     1232 <quantum_toffoli+0x132>
pshufd $0xee,%xmm1,%xmm3
movd   %xmm3,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x18(%rax,%rdi,1)
pextrw $0x6,%xmm2,%ecx
test   $0x1,%cl
je     1160 <quantum_toffoli+0x60>
pshufd $0xff,%xmm1,%xmm1
movd   %xmm1,%ecx
xor    %esi,%ecx
mov    %ecx,0x1c(%rax,%rdi,1)
jmp    1160 <quantum_toffoli+0x60>
cmp    %r10,%rdx
jne    1269 <quantum_toffoli+0x169>
ret
nopw   0x0(%rax,%rax,1)
add    $0x1,%rdx
cmp    %rdx,%r10
je     1259 <quantum_toffoli+0x159>
mov    (%rax,%rdx,4),%edi
mov    %edi,%ecx
not    %ecx
test   %ecx,%r9d
jne    1260 <quantum_toffoli+0x160>
xor    %esi,%edi
mov    %edi,(%rax,%rdx,4)
jmp    1260 <quantum_toffoli+0x160>

LLVM IR (-O0):
define void @quantum_toffoli(i32 %0, i32 %1, i32 %2, i32* %3, i32 %4) {
%6 = alloca i32
%7 = alloca i32
%8 = alloca i32
%9 = alloca i32*
%10 = alloca i32
%11 = alloca i32
store i32 %0, i32* %6
store i32 %1, i32* %7
store i32 %2, i32* %8
store i32* %3, i32** %9
store i32 %4, i32* %10
store i32 0, i32* %11
br label %12
12: ; preds = %47, %5
%13 = load i32, i32* %11
%14 = load i32, i32* %10
%15 = icmp slt i32 %13, %14
br i1 %15, label %16, label %50
16: ; preds = %12
%17 = load i32*, i32** %9
%18 = load i32, i32* %11
%19 = sext i32 %18 to i64
%20 = getelementptr inbounds i32, i32* %17, i64 %19
%21 = load i32, i32* %20
%22 = load i32, i32* %6
%23 = shl i32 1, %22
%24 = and i32 %21, %23
%25 = icmp ne i32 %24, 0
br i1 %25, label %26, label %46
26: ; preds = %16
%27 = load i32*, i32** %9
%28 = load i32, i32* %11
%29 = sext i32 %28 to i64
%30 = getelementptr inbounds i32, i32* %27, i64 %29
%31 = load i32, i32* %30
%32 = load i32, i32* %7
%33 = shl i32 1, %32
%34 = and i32 %31, %33
%35 = icmp ne i32 %34, 0
br i1 %35, label %36, label %45
36: ; preds = %26
%37 = load i32, i32* %8
%38 = shl i32 1, %37
%39 = load i32*, i32** %9
%40 = load i32, i32* %11
%41 = sext i32 %40 to i64
%42 = getelementptr inbounds i32, i32* %39, i64 %41
%43 = load i32, i32* %42
%44 = xor i32 %43, %38
store i32 %44, i32* %42
br label %45
45: ; preds = %36, %26
br label %46
46: ; preds = %45, %16
br label %47
47: ; preds = %46
%48 = load i32, i32* %11
%49 = add nsw i32 %48, 1
store i32 %49, i32* %11
br label %12
50: ; preds = %12
ret void
}

LLVM IR (-O2):
define void @quantum_toffoli(i32 %0, i32 %1, i32 %2, i32* nocapture %3, i32 %4) {
%6 = icmp sgt i32 %4, 0
br i1 %6, label %7, label %105
7: ; preds = %5
%8 = shl nuw i32 1, %0
%9 = shl nuw i32 1, %1
%10 = shl nuw i32 1, %2
%11 = zext i32 %4 to i64
%12 = freeze i32 %9
%13 = or i32 %8, %12
%14 = icmp ult i32 %4, 8
br i1 %14, label %92, label %15
15: ; preds = %7
%16 = and i64 %11, 4294967288
%17 = insertelement <4 x i32> poison, i32 %13, i64 0
%18 = shufflevector <4 x i32> %17, <4 x i32> poison, <4 x i32> zeroinitializer
%19 = insertelement <4 x i32> poison, i32 %13, i64 0
%20 = shufflevector <4 x i32> %19, <4 x i32> poison, <4 x i32> zeroinitializer
br label %21
21: ; preds = %87, %15
%22 = phi i64 [ 0, %15 ], [ %88, %87 ]
%23 = or i64 %22, 4
%24 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %22
%25 = bitcast i32* %24 to <4 x i32>*
%26 = load <4 x i32>, <4 x i32>* %25
%27 = getelementptr inbounds i32, i32* %24, i64 4
%28 = bitcast i32* %27 to <4 x i32>*
%29 = load <4 x i32>, <4 x i32>* %28
%30 = and <4 x i32> %26, %18
%31 = and <4 x i32> %29, %20
%32 = icmp eq <4 x i32> %30, %18
%33 = icmp eq <4 x i32> %31, %20
%34 = extractelement <4 x i1> %32, i64 0
br i1 %34, label %35, label %39
35: ; preds = %21
%36 = extractelement <4 x i32> %26, i64 0
%37 = xor i32 %36, %10
%38 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %22
store i32 %37, i32* %38
br label %39
39: ; preds = %35, %21
%40 = extractelement <4 x i1> %32, i64 1
br i1 %40, label %41, label %46
41: ; preds = %39
%42 = or i64 %22, 1
%43 = extractelement <4 x i32> %26, i64 1
%44 = xor i32 %43, %10
%45 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %42
store i32 %44, i32* %45
br label %46
46: ; preds = %41, %39
%47 = extractelement <4 x i1> %32, i64 2
br i1 %47, label %48, label %53
48: ; preds = %46
%49 = or i64 %22, 2
%50 = extractelement <4 x i32> %26, i64 2
%51 = xor i32 %50, %10
%52 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %49
store i32 %51, i32* %52
br label %53
53: ; preds = %48, %46
%54 = extractelement <4 x i1> %32, i64 3
br i1 %54, label %55, label %60
55: ; preds = %53
%56 = or i64 %22, 3
%57 = extractelement <4 x i32> %26, i64 3
%58 = xor i32 %57, %10
%59 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %56
store i32 %58, i32* %59
br label %60
60: ; preds = %55, %53
%61 = extractelement <4 x i1> %33, i64 0
br i1 %61, label %62, label %66
62: ; preds = %60
%63 = extractelement <4 x i32> %29, i64 0
%64 = xor i32 %63, %10
%65 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %23
store i32 %64, i32* %65
br label %66
66: ; preds = %62, %60
%67 = extractelement <4 x i1> %33, i64 1
br i1 %67, label %68, label %73
68: ; preds = %66
%69 = or i64 %22, 5
%70 = extractelement <4 x i32> %29, i64 1
%71 = xor i32 %70, %10
%72 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %69
store i32 %71, i32* %72
br label %73
73: ; preds = %68, %66
%74 = extractelement <4 x i1> %33, i64 2
br i1 %74, label %75, label %80
75: ; preds = %73
%76 = or i64 %22, 6
%77 = extractelement <4 x i32> %29, i64 2
%78 = xor i32 %77, %10
%79 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %76
store i32 %78, i32* %79
br label %80
80: ; preds = %75, %73
%81 = extractelement <4 x i1> %33, i64 3
br i1 %81, label %82, label %87
82: ; preds = %80
%83 = or i64 %22, 7
%84 = extractelement <4 x i32> %29, i64 3
%85 = xor i32 %84, %10
%86 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %83
store i32 %85, i32* %86
br label %87
87: ; preds = %82, %80
%88 = add nuw i64 %22, 8
%89 = icmp eq i64 %88, %16
br i1 %89, label %90, label %21
90: ; preds = %87
%91 = icmp eq i64 %16, %11
br i1 %91, label %105, label %92
92: ; preds = %7, %90
%93 = phi i64 [ 0, %7 ], [ %16, %90 ]
br label %94
94: ; preds = %92, %102
%95 = phi i64 [ %103, %102 ], [ %93, %92 ]
%96 = getelementptr inbounds i32, i32* %3, i64 %95
%97 = load i32, i32* %96
%98 = and i32 %97, %13
%99 = icmp eq i32 %98, %13
br i1 %99, label %100, label %102
100: ; preds = %94
%101 = xor i32 %97, %10
store i32 %101, i32* %96
br label %102
102: ; preds = %94, %100
%103 = add nuw nsw i64 %95, 1
%104 = icmp eq i64 %103, %11
br i1 %104, label %105, label %94
105: ; preds = %102, %90, %5
ret void
}