QUANTUM-DOTCELLULARAUTOMATA

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY量子元胞自动机量子元胞自动机Quantum-Dot Cellular AutomataHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY提纲提纲1. 1.研究背景研究背景2. 2.新型器件新型器件3. 3.QCAQCA分类及实现分类及实现4. 4.电电QCAQCAHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY物理极限物理极限光刻工艺光刻工艺功耗功耗散热散热1.1.研究背景研究背景HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.2.新型器件新型器件HEFEI UNIVERSITY OF TECHN

2、OLOGYQCAQCA于于19931993年由年由CS LentCS Lent等人提出等人提出运算速度快（运算速度快（THZTHZ）低功耗低功耗器件密度大器件密度大（1012/cm2)1012/cm2)2.2.新型器件新型器件HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.ACQ3.ACQ分类及实现分类及实现1. 1.金属金属QCAQCA（元胞）（元胞）2. 2.分子分子QCAQCA（元胞）（元胞）3. 3.磁磁QCAQCA（磁畴）（磁畴）HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1. 1.金属金属QCAQCA3.ACQ3.ACQ分类及实现分类及实现最早用于实

3、验验证最早用于实验验证制造方法：制造方法：电子束蚀刻电子束蚀刻金属岛金属岛4 4个量子点：个量子点：D1D1、D2D2、D3D3、D4D4SETSET静电计：静电计：E1E1、E2E2条件苛刻，要求温度极低条件苛刻，要求温度极低HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2. 2.分子分子QCAQCA氧化还原中心作为量子点氧化还原中心作为量子点桥接配位体作为隧道结桥接配位体作为隧道结3.ACQ3.ACQ分类及实现分类及实现可在室温下实现可在室温下实现HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3. 3.磁磁QCAQCA基本元胞为纳米磁体基本元胞为纳米磁体3.AC

4、Q3.ACQ分类及实现分类及实现稳定、可在室温下实现稳定、可在室温下实现HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY元胞极化值元胞极化值P P13241234P11P 扭结能扭结能EkEk极化相反与极化相同时的库仑能差值极化相反与极化相同时的库仑能差值44,11014ijkli jijklrklq qErr ,kopposite polarizationsame polarizationi ji ji jEEE4. 4.电电QCAQCAHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY邻域（影响半径邻域（影响半径R）4. 4.电电QCAQCAHEFEI UNIVERS

5、ITY OF TECHNOLOGYN N个元胞体系哈密顿量个元胞体系哈密顿量4. 4.电电QCAQCA,1212ki jjijikii jjjE PHE PHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY哈特里哈特里- -福克近似福克近似仅考虑元胞间的静电作用而不考虑量子相干仅考虑元胞间的静电作用而不考虑量子相干双稳态双稳态iiHt HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,2,222ki jjjiki jjjE PPE P稳态时，时间导数为稳态时，时间导数为0 0HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY动力学方程动力学方程表示态矢量向稳态矢

6、量的表示态矢量向稳态矢量的螺旋进动螺旋进动1ssddt 态矢量（温度）态矢量（温度）TTxyzxyz态矢量态矢量zzP 基态基态21xP0yHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,210ki jjjE P 热平衡时态密度矩热平衡时态密度矩阵阵BBHk TssHk TeTretanhssssTr 2BkT 稳态矢量稳态矢量热比热比哈密顿量哈密顿量4. 4.电电QCAQCAHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA稳态时，时间导数为稳态时，时间导数为0 02,2,2,222tanh2ki jjkji jjjikBi jjjE PE

7、PPk TE PHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY考虑两个元胞系统考虑两个元胞系统4. 4.电电QCAQCA222222tanh2kjkjiBkjE PE PPk TE PHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYQCAQCA元胞类型元胞类型4. 4.电电QCAQCA旋转元胞旋转元胞正常元胞正常元胞逻辑逻辑0 0 逻辑逻辑1 1HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYQCAQCA基本器件单元基本器件单元1. 1.择多门择多门4. 4.电电QCAQCA,MA B CABACBC三输入择多门三输入择多门HEFEI UNIVERSITY

8、 OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA, , ,M A B C D EABCABDABEACDACEADEBCDBCEBDECDE五输入择多门五输入择多门HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA与门与门FAB, ,0M A BAB, ,1,0,0M A BABHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA或门或门FA B, ,1M A BAB, ,0,1,1M A BA BHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2. 2.反相器反相器4. 4.电电QCAQCAFAHEFEI

9、 UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3. 3.传输线传输线4. 4.电电QCAQCA传输线传输线反向链反向链HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.交叉结构交叉结构4. 4.电电QCAQCA共面交联共面交联异面交联异面交联HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA时钟时钟 四个时钟区域四个时钟区域, ,每个时钟都与每个时钟都与前一个时钟相前一个时钟相差差9090作用作用1. 1.控制信号同步控制信号同步2. 2.提供能量提供能量HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCA

10、QCAQCAQCA电路电路全加器全加器(,),(,),),)iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiSABCABCABCABCM M A B CM M A B CB CA1,iiiiiiiiiiCABABBCM A B CHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYQCAQCA缺陷缺陷4. 4.电电QCAQCA1. 1.元胞移位元胞移位2. 2.元胞未对准元胞未对准3. 3.元胞缺失元胞缺失HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA1. 1.贝叶斯网络贝叶斯网络概率网络，基于概率推理的图形化网络，且在计算机智能科学、工概率网络，基

11、于概率推理的图形化网络，且在计算机智能科学、工业控制、医疗诊断等领域的许多智能化系统中得到了重要的应用。业控制、医疗诊断等领域的许多智能化系统中得到了重要的应用。( ,)(/) ( )P A BP A B P B( 1, 2, 3, 4, 5)( 5/ 4, 3, 2, 1)( 4/ 3, 2, 1) ( 3/ 2, 1) ( 2/ 1) ( 1)P x xx xxP xxx xxP xx xx P xxx P xx P xQCAQCA电路可靠性分析电路可靠性分析HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY影响半径影响半径r=2r=2影响半径影响半径r=1r=1( 1, 2,

12、3, 4, 5)( 5 /4)( 4 / 3) ( 3/2) ( 2 / 1) ( 1)P xxxxxP xxP xxP xxP xx P x( 1, 2, 3, 4, 5)( 5 /4, 3)( 4 / 3, 2) ( 3 /2, 1) ( 2 / 1) ( 1)P xxxxxP xxxP xxxP xxxP xxP x4. 4.电电QCAQCA( )pa x( )ch x父节点父节点子节点子节点( /( )P xpa x条件概率条件概率HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA*11(0 /( )( ),( )ssP xpa xpa x chx*

13、22(1/( )( ),( )ssP xpa xpa x chx 1111tanh2ssE 2211tanh2ssE*( )( )()()( )arg maxarg maxkich xch xiPa XCh XchxE ()12kiiNe XEE22E Bk T HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY影响半径影响半径r=2r=2HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGYInputInputOutputOutput0 01 10 0p pq q1 1q qp p2 2. .概率转移矩阵（概率转移矩阵（PTMPTM） 概率转移矩阵的概率转移矩阵的构建主要是对

14、电构建主要是对电路的输入序列与路的输入序列与输出序列情况进输出序列情况进行罗列，并对正行罗列，并对正确输出与可能的确输出与可能的错误输出的概率错误输出的概率进行假设进行假设以传输线为例以传输线为例p p：正确概率：正确概率 q q：错误概率：错误概率1pqwirepqTqp4. 4.电电QCAQCAHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4. 4.电电QCAQCA12232223224253632783sTfTfTfsTwTcTcTwTwsTwTwTcTcTwsTwTwTwTcTwTwsTwTwTiTwTmsTmTwTfsTwTwTiTwsTmTwHEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY12345678Q=1/8 (T(1,2)+T(1,3)+T(1,4)+T(2,1)+T(2,2)+T(2,4)+T(3,1)+T(3,2)+T(3,4)+T(4,1)+T(4,3)+T(4,4)+T(5,1)+T(5,2)+T(5,4)+T(6,1)+T(6,3)+T(6,4)+T(7,1)+T(7,3)+T(7,4)+T(8,1)+T(8,2)+T(8,3)Tssssssss4. 4.电电QCAQCAHEFE