13、量子元胞自动机与异步细胞自动机的电路实现探索

量子元胞自动机与异步细胞自动机的电路实现探索

量子元胞自动机实现旋转元件

提出了一种使用量子元胞自动机（QCA）阵列实现旋转元件（RE）的方法。QCA的两种状态对应RE中旋转杆的两种状态。输入粒子会受到QCA中电子的库仑相互作用影响，从而根据QCA的状态进行切换。同时，QCA的状态会根据输入粒子注入的线路而改变。

为简化求解这个多体系统，忽略了输入粒子的量子效应，并将QCA的4点2电子系统简化为量子自旋系统。数值模拟结果表明，该模型的表现符合预期。此外，还提及了其他模块的可能性，如延迟元件（Delay Element）和C - JOIN。这两种模块对于构建电路都是必需的。

虽然本文使用带电粒子作为信号，但未来可能会用一个或几个电子来替代。由于固态设备中单个电子的可靠性因屏蔽效应或量子/热涨落而较低，因此需要寻找替代方案。对短时间相干模式下使用QCA的RE进行分析时包含了多种近似。输入粒子也应被视为量子力学波包，在这种情况下，输入波包和QCA中的电子会形成纠缠态，这意味着该模型可应用于量子门。

异步细胞自动机概述

细胞自动机（CA）是一种动态系统，空间由离散的单元（细胞）组成，每个细胞可以处于有限状态集中的一种状态。这些细胞按照转移函数在离散时间步长内进行更新，转移函数根据细胞邻域内其他细胞的状态来确定该细胞的后续状态。

异步细胞自动机（ACA）是CA的一种，其中每个细胞在随机时间进行更新。尽管ACA主要用于自然现象的模拟，但由于其无需中央时钟，在纳米技术实现方面具有很大潜力，因此也有人尝试将其用于计算。目前最先进且在硬件和时间资源方面最有效的模型使用了所谓的延迟不敏感（DI）电路，将其嵌入细胞空间来实现计算。DI电路