利用量子点元胞自动机的复杂门的比较

蒂娜Suratkar¹

印度马哈拉施特拉邦那格浦尔市圣文森特工程技术学院电子与电信工程系助理教授

摘要

本文介绍了量子点元胞自动机的基础知识。本文比较了用QCADesigner工具设计的7输入复合门和5输入复合门两种不同的复合门。以7输入复合门和5输入复合门为例，给出了四输入与栅极的仿真结果。比较时考虑了所有的参数。结果表明，虽然两种栅极的仿真结果相同，但7输入复合栅极仍然是最有效的。

关键字

QCA, QCA单元，逻辑门，复合门，QCADesigner。

介绍

量子点的使用是一种有前途的新兴技术，用于实现纳米级的数字系统。最近研究的量子点技术计算范式包括局部连接量子点元胞自动机(QCA)的使用。这项技术是基于利用量子现象的量子点内电子的相互作用;随着特征尺寸的不断减小，同样的现象可能会在未来的集成电路技术中出现问题。QCA及其器件在电信技术中的潜在应用是广泛而明确的。通过充分利用该技术的独特功能，我们能够在QCA的单层上创建完整的电路。这种设备预计将以超低功耗和非常高的运行速度运行[1]。

本文组织结构如下:第2节介绍量子点元胞自动机的背景。第3节简要介绍了QCA时钟和QCA逻辑。在第4节中，讨论了7输入复合门的结构，在第5节中，讨论了5输入复合门的结构。在第6节中，给出了使用7-输入和5-输入复合门的4个输入与门的仿真结果。第7节给出了两个复杂门的比较，并在第8节给出了结论。

量子点元胞自动机

QCA单元是由四个量子点组成的结构，如图1所示。

细胞内的量子点提供三维电子限制，并能够限制可控数量的电子。如果电池带有两个多余的电子，由于它们相互的静电斥力，它们将倾向于占据对足点。如果点与点之间的势垒很低，这些电子就能在点与点之间穿隧。假设电子总是倾向于占据对跖点，有两种可能的构型，可用于编码二进制信息，如图2所示。

相互作用的QCA单元阵列已被证明能够实现通用数字设计所需的所有逻辑功能QCA体系结构提出了点之间的潜在障碍，可以控制并用于QCA电路的时钟。

QCA中的开关是通过切换两个电子的占用来完成的。由于相邻细胞的相互作用，信号沿着QCA细胞阵列传递。QCA布局的拓扑结构决定了单元之间的相互作用，从而决定了整个电路的功能。QCA的功耗很低，因为只有两个电子在移动。QCA电路所需的大部分功率将用于时钟方案[2]，[3]。

QCA孵蛋的

QCA的时钟可以通过控制相邻量子点之间的势垒来实现。当电势较低时，电子波函数离域，导致电池极化不确定。提高势垒降低了隧穿速率，因此，电子开始局域化。当电子定位时，电池获得一个确定的极化。当势垒达到最高点时，细胞被称为锁存。锁存单元格充当虚拟输入，因此，实际输入可以开始输入新的值。这使得QCA电路易于流水线化。如图3所示，任何QCA电路所需要的仅仅是四个90度失相的时钟区。

QCA逻辑:

相邻的QCA单元相互作用，试图稳定到由输入的当前状态决定的基态。这在图4所示的QCA导线的情况下最为明显。

输入单元的极化沿导线向下传播，这是系统试图稳定到基态的结果。导线上任何对输入反极化的单元都将处于更高的能级，并将很快稳定到正确的基态。

QCA的计算是通过设计QCA布局来完成的，该布局展示了所需的状态交互。考虑图5中的安排，演示了逆变器和多数门[4]的QCA实现。上述系统的输出单元的基态是阴影输入单元的函数，并执行所需的逻辑功能。多数门是基本的QCA逻辑门。输出单元将极化到输入单元的多数极化。对于输入a,b和c的多数，布尔表达式为m(a,b,c)=ab+bc+ca。通过将多数门的任何一个输入的极化固定为逻辑1或逻辑0，我们分别得到一个或门或与门。

7输入复合门

图6显示了一个7输入门。该门由三个3输入多数门组成。该门的三个输入，e, f和g，作为控制输入，用于指定电路的功能。其余四个输入a、b、c和d用于实现四个变量[6]的布尔函数。使用QCADesigner[5]模拟了所有配置的该门的功能。

在这个门中，当所有的控制输入，即e,f和g被放置在极性+1，那么这个门作为一个四输入或门。当控制输入被放置在极性-1，那么这个门作为一个四输入与门。不同的输入组合可以实现不同的功能。

五输入复合门

图7显示了一个5输入门。该门由一个3输入多数门组成。输入e，作为控制输入，用于指定电路的功能。其余四个输入a、b、c和d用于实现四个变量[7]的布尔函数。使用QCADesigner模拟了所有配置的该门的功能。

在这个门中，当控制输入e被放置在极性+1，那么这个门作为一个四输入或门。当控制输入被放置在极性-1，那么这个门作为一个四输入与门。

仿真结果

让我们考虑一个与门的例子，将图6中的输入e、f和g以及图7中的输入e限制为极性为-1。得到的仿真结果如图8和图9所示。

从两个复门的仿真结果来看，得到的结果是一致的。但是有一些要点需要比较，将在第7节中讨论。

比较

表1中给出了两种复杂门的比较:

结论

从第7节给出的对比表中，可以注意到，尽管7-input Complex Gate的单元格数量更多，但考虑到执行时间，它的效率更高。七输入复合门除了实现四输入与门和四输入或门外，还可以实现表1所示的其他逻辑功能。而五输入复合门可以实现四个输入与门和四个输入或门。

因此，我们可以得出结论，7输入复合门比5输入复合门更有效。

数字一览


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9

参考文献

A. Vetteth等人，“量子点元胞自动机超前加法器和桶形移位器”，IEEE新兴电信技术会议，理查森，德克萨斯州，2002年。
杜高伟，李志刚，“量子元胞自动机的动力学行为”，中国科学院学报(自然科学版)。理论物理。，American Institute of Physics, 80 (8) 4722, 1996.
李志刚，“量子点元胞自动机的功率增益与耗散”，中国计算机工程学院学报(自然科学版)理论物理。，American Institute of Physics, 91 (2) 823, 2002.
韩尼西，K. Lent, C.，“分子量子点细胞自动机的时钟”，J. Vac。Sci.Technol。，American Vacuum Society, B 19 (5) 1752, 2001.
Walus, K.“QCADesigner主页”，http://www.atips.ca/~walus, ATIPS实验室，卡尔加里大学，卡尔加里，AB, 2002
Townsend W.J和j.a.a abraham，“量子点元胞自动机的复杂门实现”，第四届IEEE纳米技术会议，pp。625 - 627年,2004年。
Tina Suratkar，“使用量子点元胞自动机的五输入复杂门”，IJAREEIE，第2卷，第4期，940-944,2013年4月