一種新型的量子資料選擇器設計
摘要: 量子細胞自動機(quantum cellular automaton，qca)是一種基於細胞自動
機結構利用庫侖相互作用的量子器件，是一種具有邏輯運算功能的自動機。應用量子元胞自動機的基本邏輯門如多路選擇器(即資料選擇器)、反相器等可以實現各種各樣的邏輯電路。目前，在國內外文獻上已見到異或門、全加器、儲存器等各種邏輯門的實現。
本文設計了基於量子邏輯閘電路(fredkin門)的資料選擇器的。
關鍵詞：量子元胞自動機；基本邏輯門；fredkin門；4選1資料選擇器
1 引言
近年來，微電子器件的整合度基本遵循著moore定律飛速發展。然而隨著器件尺寸的進一步減小，一些微觀世界中特有的物理現象如量子效應逐漸表現出來，從而使得基於傳統方法設計的電路效能與實際結果有著明顯的偏差。目前，解決這類問題通常有兩種方法：
從設計技術上加以修正，對原有的器件模型通過計入量子效應加以修改，來矯正電路設計時的偏差；從工藝上加以修正，如柵極氧化層材料採用高k 介質來抑制因量子效應導致的柵極漏電流的增加。然而，實踐表明，效果不甚理想。事實上，與其通過修正器件模型來消除量子效應對邏輯電路設計的影響，還不如主動利用量子效應來構造新的數字邏輯器件並實現數字邏輯系統。
正因如此，基於量子細胞自動機(quantum-dot cellularautomata, qca)的器件應運而生。qca是於1993 年由lent等[1]最先提出的，與傳統的通過電訊號來表示二進位制資訊的方法不同，它是通過電子在qca 細胞上佔據的位置來表示的。由於基於qca 實現的電路具有高整合度、低功耗和高速度等優點，對其研究受到廣泛重視。
然而，基於qca 實現數字邏輯系統，不論在工藝方面，還是在設計理論和技術方面均需要開展大量的工作。就邏輯設計研究方，作為基於qca 設計數字邏輯系統的基礎，需要有完整的邏輯單元庫。迄今，已提出了各種基於元胞的加法器[24]、乘法器[5]和其他電路[6]等的設計方法，也包括基於元胞的資料選擇器的設計方法。
但是另一類新型的基於邏輯閘電路的資料選擇器還缺乏研究。本文設計的是基於fredkin門的電路設計。這種閘電路能使搭建的量子元胞電路模組化，使批量生產製造更加簡單容易。
2 qca基本原理介紹
2.1 qca元胞
量子元胞是利用庫侖阻塞效應載入兩個靜電子的標準元胞可以實現基本結構單元，由4個位於正方形四角的量子點和2個額外可以移動的電子構成，其模型如圖2.1所示，其中實心圓圈為被電子佔據的量子點，空心圓圈為量子點。
圖2.1 qca元胞的示意圖
2.2 qca傳輸線
在qca 電路中，qca線量子資訊從輸入到輸出之間進行傳輸。qca 線有兩種型別：普通qca 線和qca 反相鏈，分別由上述兩種元胞構成。
元胞鏈除了直線型外，常見的還有拐角和分支型。如圖2.2
圖2.2 拐角傳輸線和分支傳輸線
2.3 基於qca的邏輯門
多數門是基於qca 電路設計的基本邏輯元件，有3 個輸入和1 個輸出，其邏輯函式表示式為m(a,b,c) = ab +ac +b c 圖2.3 所示為基於qca 的多數門的結構圖和邏輯圖形符號。
圖2.3 多數門
如果控制一輸入端分別為0或1，則可以得到乙個爾輸入的與門或或門。所以多數門又稱可程式設計與或門。
如圖2.4中元胞陣列具有反相器的功能。當輸入為「1」時，訊號經過直線傳輸線和直角傳輸線到達兩平行的二進位製線末端，輸出變為「0」。當輸入為「0」時，訊號同樣可以被反相。
圖 2.4 反相器
f門可以看成是乙個大型的基本邏輯門，它有3個輸入端和3個輸出端，邏輯函式p = a,q = ab + ac, r = ab + ac。
利用fredkin門構建的資料選擇器
himanshu thapliyal等人利用fredkin門構建出各種閘電路及觸發器。這裡，他們首先設計了一種fredkin門，作為乙個基本模組，再利用幾個模組之間的相互連線，而構成幾種元胞電路。這樣，fredkin門就可以當做乙個基本的器件。
fredkin門的邏輯圖以及真值表如圖2.5：
圖2。5 fredkin門的邏輯圖以及真值表
3 基於f門的資料選擇器
3.1 兩位資料選擇器
他先後構建了d觸發器等元胞電路，那麼f門是否也可以搭建資料選擇器（也稱多路選擇器）。這裡先嘗試用單個f門搭建2選1資料選擇器，其邏輯函式，真值表如下：
很巧合的是f門的q和r輸出端與資料選擇器的輸出函式一樣，f門的a輸入端作選擇端,任選q或r作輸出端，其他兩輸出端不用，搭建電路圖如下：
**結果：
進一步搭建4輸入的資料選擇器，
用f門的q端作為2選1資料選擇器的輸出端，另外兩個輸出端置空。b和c是上面f門的資料輸入端，a作為控制訊號；下面f門的資料輸入端是e和f，由a1訊號控制；a2控制訊號選擇上下兩個2選1資料選擇器的輸入，out為輸出端。真值表如下圖：
事實上，由於輸入端過多，輸入的訊號頻率過快，導致輸出結果很不穩定，得不到正確的**結果。因此，先固定控制訊號，再進行**，修改後的量子元胞圖如下，
設定控制訊號a2為0，a為1，a1為0，得到**結果如下：
因為控制訊號選擇的是上面f門c端的輸入訊號，所以輸出的結果與c的波形保持一致。當更改控制端的脈衝訊號後，依然能得到正確的**結果，這裡不具體列出。
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