24、量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与初步探讨

量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与初步探讨

1. QCA 时钟机制及其优势

QCA 时钟机制在 QCA 设计中起着关键作用，其理论适用于金属或分子 QCA 细胞。该机制基于对量子阱的周期性操作，以实现二进制运算和数据移动。具体而言，研究聚焦于能在单稳态和双稳态之间周期性转换的系统，QCA 时钟控制着系统处于何种状态，进而决定设备是激活还是无效。

在计算开始时，QCA 细胞处于单稳态的恢复状态。在切换阶段，通过外部能量源（时钟）施加输入电位，使系统从单稳态转变为双稳态，细胞的二进制状态由输入电位决定。在切换时钟阶段结束时，二进制信息在保持阶段被锁存，处于保持阶段的细胞可驱动另一个 QCA 细胞。最后，系统恢复到原始的单稳态，过程循环进行。

与当代基于 FET 的逻辑相比，这种时钟方案具有显著的节能潜力。若电位变化足够缓慢，使细胞始终接近其基态（准绝热），则每次二进制操作的能量耗散可降低至 log(2)kT 以下，而基于 FET 的逻辑能耗为 106kT。此外，QCA 中固有的流水线操作有助于缓解非时钟、边缘驱动的 QCA 架构因热力学考虑而产生的尺寸问题，避免亚稳态并提供增益。

2. 可实现的 QCA：分子 QCA 视角

分子 QCA 具有诸多优势。由于分子尺寸小（1 - 5 nm），库仑能较大，可在室温下运行，且 QCA 切换的功耗低，使得高密度分子逻辑电路和存储器成为可能。

在分子 QCA 中，“点”的角色由分子内的氧化还原（redox）位点扮演。具有至少两个氧化还原中心的分子适用于 QCA，可构建具有 2、3 和 4 个“点”的分子。以 3 - 点细胞为例，分子呈“V”形，电荷可位于“V”形的三个点上