24、量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与实现

量子元胞自动机（QCA）设计规则的起源、动机与实现

1. 可实现的QCA概述

在QCA设计与制造不断发展的过程中，考虑更多与实现相关的细节至关重要。这不仅能确保所生成的电路和系统具备可构建性，还能使设计工作推动器件的进一步发展。

1.1 QCA时钟原理

可实现的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作来执行二进制运算和移动二进制数据。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状态，从而允许外部输入或驱动（理想情况下是另一个QCA单元）控制单元为1或0。

具体而言，在计算开始时，QCA单元处于单稳态恢复状态。在切换阶段，施加输入电势，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施加的输入电势决定，但输入信号需足够小，还需外部时钟机制。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，过程重新开始。

与当代基于FET的逻辑相比，这种时钟方案能耗显著降低。若电势分布变化足够缓慢，使单元始终接近基态（准绝热），则每次二进制操作的切换能耗可降至低于log(2)kT，而基于FET逻辑的能耗为106kT。此外，QCA固有的流水线特性有助于缓解非时钟、边缘驱动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。

1.2 分子QCA器件

与金属点QCA单元不同，分子尺寸小（1 - 5 nm），库仑能大，可实现室温操作，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Q