文档介绍：基于QCA的量子编码器和译码器设计
Weidi Hu **********
Electronic Science and Applied Physics Institute, Hefei University of Technology,China
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摘要-----基于量子元胞自动机的双稳态特性和数字电路,依据不同设计原理设计了编码器和译码器,采用半经典仿真方法进行仿真,,结果显示,在同样实现译码器功能的前提下,电路结构简单并且规模较小。运用模块化设计思想由2-to-4译码器的级联设计出3-to-8译码器,并得出由2-to-4译码器可模块化构造更多位译码器的结论。运用基本功能电路的组合原理使电路容易分析,对以后的电路设计有一定的借鉴意义。
Abstract----- Based on the quantum cellular automata bi-stable characteristics and digital circuit, designed the encoder and decoder according to different design principle, adopt semiclassical simulation method was simulated, At the same time and the etc’s design decoder pared, The results show that under the same realize decoder function, under the precondition of circuit structure is simple and smaller. Using modular design thoughts from 2 - to - 4 decoder cascade designed 3 - to - 8 decoder, and obtains by 2 - to - 4 decoder more than can be modular structure of decoder conclusion. Using the basic function of the bination principle the circuit easy analysis, subsequently in the circuit design is of certain reference.
关键词-----量子信息量子元胞自动机编码器译码器模块化
Key words-----Quantum information Quantum cellular automata Encoder Decoder Modularization

微电子器件的集成度和运算速度已持续呈指数级增长近40 年, 集成电路制造的各个方面都需有快速的改进以保持这种增长态势【1】。由于功率耗散和相互连接等问题使得基于传统CMOS 技术的器件尺寸的进一步减小变得不太可能[2]。有研究认为, 到2020 年, 晶体管的尺寸将达到它的物理极限。近年来, 有些学者提出量子细胞自动机[ 3- 5] ( quantum cellular automaton, QCA)的结构, 在用分子实现时, 其特征尺寸仅为几纳米。它是通过电子在细胞上占据的位置来携带二进制信息,提供了一种新的计算和信息转换的方式, 具有低功耗、高集成度和无引线集成等优点, 将是新一代的电子元件之一。通过相关文献的查阅,发现目前对于译码器的研究较少,而编码器则更是难得,而编码器和译码器是数字电路中具有重要使用价值的元件。-to4译码器[6],具有译码器的基本功能,但仿真发现由于其元胞链设置过长,输出结果不如预期稳定。本文结合QCA原理和数字电路相关知识以及化简思想设计了编码器和译码器,对于2线-4线译码器,与前人的成果进行了比较,显示出设计的同级别的译码器电路结构简单和规模小的优点,同时提出编码器及译码器位数扩展的方法。此外,此电路设计中采用基本QCA器件进行模块组合和相同逻辑功能电路合并的思想,具较强的普适性,对以后的电路设计也有一定的借鉴意义。

QCA是由基本的逻辑器件组成的,这些基本量子器件主要有含有两个静电子的标准元胞和旋转元胞,每个元胞通过内部电子所处的位置定义它的极性,元胞之间极性的传递或改变是依靠两元胞间电子的库仑作用和元胞内电子的隧穿作用,每个元胞中的电子被高度极化,电子云密度沿元胞两个垂直的对角