void quantum_toffoli(int control1, int control2, int target,
                     unsigned long *state, int size) {
  int i;
  for (i = 0; i < size; i++) {
    if (state[i] & ((unsigned long)1 << control1))
      if (state[i] & ((unsigned long)1 << control2))
        state[i] ^= ((unsigned long)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    11ab <quantum_toffoli+0xab>
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,8),%rax
mov    -0x4(%rbp),%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%rdx
mov    %rdx,%rcx
and    %rcx,%rax
cmp    $0x0,%rax
je     1198 <quantum_toffoli+0x98>
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
mov    (%rax,%rcx,8),%rax
mov    -0x8(%rbp),%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%rdx
mov    %rdx,%rcx
and    %rcx,%rax
cmp    $0x0,%rax
je     1193 <quantum_toffoli+0x93>
mov    -0xc(%rbp),%eax
mov    %eax,%ecx
mov    $0x1,%edx
shl    %cl,%rdx
mov    -0x18(%rbp),%rax
movslq -0x20(%rbp),%rcx
xor    (%rax,%rcx,8),%rdx
mov    %rdx,(%rax,%rcx,8)
jmp    1198 <quantum_toffoli+0x98>
jmp    119d <quantum_toffoli+0x9d>
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    1149 <quantum_toffoli+0x49>
mov    %rcx,%rax
mov    $0x1,%r9d
mov    %esi,%ecx
shl    %cl,%r9
mov    $0x1,%r11d
mov    %edx,%ecx
shl    %cl,%r11
mov    %r8d,%r10d
bts    %rdi,%r9
cmp    $0x1,%r8d
jne    114a <quantum_toffoli+0x4a>
xor    %edx,%edx
test   $0x1,%r10b
je     1149 <quantum_toffoli+0x49>
mov    (%rax,%rdx,8),%rcx
mov    %rcx,%rsi
not    %rsi
test   %rsi,%r9
jne    1149 <quantum_toffoli+0x49>
xor    %r11,%rcx
mov    %rcx,(%rax,%rdx,8)
ret
mov    %r10d,%edi
and    $0xfffffffe,%edi
xor    %edx,%edx
jmp    1169 <quantum_toffoli+0x69>
cs nopw 0x0(%rax,%rax,1)
xchg   %ax,%ax
add    $0x2,%rdx
cmp    %rdx,%rdi
je     112d <quantum_toffoli+0x2d>
mov    (%rax,%rdx,8),%rsi
mov    %rsi,%rcx
not    %rcx
test   %rcx,%r9
jne    117f <quantum_toffoli+0x7f>
xor    %r11,%rsi
mov    %rsi,(%rax,%rdx,8)
mov    0x8(%rax,%rdx,8),%rcx
mov    %rcx,%rsi
not    %rsi
test   %rsi,%r9
jne    1160 <quantum_toffoli+0x60>
xor    %r11,%rcx
mov    %rcx,0x8(%rax,%rdx,8)
jmp    1160 <quantum_toffoli+0x60>

LLVM IR (-O0):
define void @quantum_toffoli(i32 %0, i32 %1, i32 %2, i64* %3, i32 %4) {
%6 = alloca i32
%7 = alloca i32
%8 = alloca i32
%9 = alloca i64*
%10 = alloca i32
%11 = alloca i32
store i32 %0, i32* %6
store i32 %1, i32* %7
store i32 %2, i32* %8
store i64* %3, i64** %9
store i32 %4, i32* %10
store i32 0, i32* %11
br label %12
12: ; preds = %50, %5
%13 = load i32, i32* %11
%14 = load i32, i32* %10
%15 = icmp slt i32 %13, %14
br i1 %15, label %16, label %53
16: ; preds = %12
%17 = load i64*, i64** %9
%18 = load i32, i32* %11
%19 = sext i32 %18 to i64
%20 = getelementptr inbounds i64, i64* %17, i64 %19
%21 = load i64, i64* %20
%22 = load i32, i32* %6
%23 = zext i32 %22 to i64
%24 = shl i64 1, %23
%25 = and i64 %21, %24
%26 = icmp ne i64 %25, 0
br i1 %26, label %27, label %49
27: ; preds = %16
%28 = load i64*, i64** %9
%29 = load i32, i32* %11
%30 = sext i32 %29 to i64
%31 = getelementptr inbounds i64, i64* %28, i64 %30
%32 = load i64, i64* %31
%33 = load i32, i32* %7
%34 = zext i32 %33 to i64
%35 = shl i64 1, %34
%36 = and i64 %32, %35
%37 = icmp ne i64 %36, 0
br i1 %37, label %38, label %48
38: ; preds = %27
%39 = load i32, i32* %8
%40 = zext i32 %39 to i64
%41 = shl i64 1, %40
%42 = load i64*, i64** %9
%43 = load i32, i32* %11
%44 = sext i32 %43 to i64
%45 = getelementptr inbounds i64, i64* %42, i64 %44
%46 = load i64, i64* %45
%47 = xor i64 %46, %41
store i64 %47, i64* %45
br label %48
48: ; preds = %38, %27
br label %49
49: ; preds = %48, %16
br label %50
50: ; preds = %49
%51 = load i32, i32* %11
%52 = add nsw i32 %51, 1
store i32 %52, i32* %11
br label %12
53: ; preds = %12
ret void
}

LLVM IR (-O2):
define void @quantum_toffoli(i32 %0, i32 %1, i32 %2, i64* nocapture %3, i32 %4) {
%6 = icmp sgt i32 %4, 0
br i1 %6, label %7, label %52
7: ; preds = %5
%8 = zext i32 %0 to i64
%9 = shl nuw i64 1, %8
%10 = zext i32 %1 to i64
%11 = shl nuw i64 1, %10
%12 = zext i32 %2 to i64
%13 = shl nuw i64 1, %12
%14 = zext i32 %4 to i64
%15 = freeze i64 %11
%16 = or i64 %9, %15
%17 = and i64 %14, 1
%18 = icmp eq i32 %4, 1
br i1 %18, label %42, label %19
19: ; preds = %7
%20 = and i64 %14, 4294967294
br label %21
21: ; preds = %38, %19
%22 = phi i64 [ 0, %19 ], [ %39, %38 ]
%23 = phi i64 [ 0, %19 ], [ %40, %38 ]
%24 = getelementptr inbounds i64, i64* %3, i64 %22
%25 = load i64, i64* %24
%26 = and i64 %25, %16
%27 = icmp eq i64 %26, %16
br i1 %27, label %28, label %30
28: ; preds = %21
%29 = xor i64 %25, %13
store i64 %29, i64* %24
br label %30
30: ; preds = %21, %28
%31 = or i64 %22, 1
%32 = getelementptr inbounds i64, i64* %3, i64 %31
%33 = load i64, i64* %32
%34 = and i64 %33, %16
%35 = icmp eq i64 %34, %16
br i1 %35, label %36, label %38
36: ; preds = %30
%37 = xor i64 %33, %13
store i64 %37, i64* %32
br label %38
38: ; preds = %36, %30
%39 = add nuw nsw i64 %22, 2
%40 = add i64 %23, 2
%41 = icmp eq i64 %40, %20
br i1 %41, label %42, label %21
42: ; preds = %38, %7
%43 = phi i64 [ 0, %7 ], [ %39, %38 ]
%44 = icmp eq i64 %17, 0
br i1 %44, label %52, label %45
45: ; preds = %42
%46 = getelementptr inbounds i64, i64* %3, i64 %43
%47 = load i64, i64* %46
%48 = and i64 %47, %16
%49 = icmp eq i64 %48, %16
br i1 %49, label %50, label %52
50: ; preds = %45
%51 = xor i64 %47, %13
store i64 %51, i64* %46
br label %52
52: ; preds = %42, %50, %45, %5
ret void
}