24、量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与初步探索

量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与初步探索

1. QCA 时钟原理与优势

QCA 时钟理论适用于金属或分子 QCA 单元，其基于对量子阱的周期性操纵来执行二进制操作和移动二进制数据。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单稳态还是双稳态，即控制设备是激活还是无效。

具体而言，在计算开始时，QCA 单元处于单稳态的恢复状态。在切换阶段，施加输入电位，通过外部能量源（时钟）将系统从单稳态转换为双稳态，单元的二进制状态由输入电位决定。输入信号需足够小，需外部时钟机制辅助。在切换时钟阶段结束时，二进制信息在保持阶段被锁存，处于保持阶段的单元可驱动另一个 QCA 单元。最后，系统恢复到原始单稳态，过程可再次开始。

与当代基于 FET 的逻辑相比，这种时钟方案能耗显著降低。若电位分布变化足够缓慢，使单元始终接近基态（准绝热），切换过程中的能耗可降至每个二进制操作低于 log(2)kT，而基于 FET 的逻辑能耗为 106kT。此外，QCA 中固有的流水线机制有助于缓解非时钟、边缘驱动的 QCA 架构因热力学考虑导致的尺寸问题，避免亚稳态并提供增益。

2. 可实现的 QCA

2.1 QCA 设备

分子 QCA 设备与金属点 QCA 单元不同，分子尺寸小（1 - 5 nm），库仑能大，可在室温下运行，且 QCA 切换的功耗低，适合高密度分子逻辑电路和存储器。

在分子 QCA 中，“点”由分子内的氧化还原（redox）位点扮演。氧化还原中心能接受和提供电子，且不破坏分子设备原子间的化学键。用于 QCA 的分子需至少有两个氧化还原中心，可构建 2、3 和 4“点”