可扩展低功耗可逆逻辑在量子点细胞自动机(QCA)与IBM量子计算中的门电路实现研究

【编辑推荐】本文提出基于量子点细胞自动机(QCA)技术的4×4可逆逻辑门设计，通过Qiskit IBM与QCADesigner 2.0.3工具验证，实现加法器电路面积减少7.14%、延迟降低58.62%的突破性成果，为纳米级数字电路提供超低功耗(kTln2能量模型)解决方案，推动后CMOS时代器件发展。

　　

Highlight

可逆逻辑基础概念

可逆逻辑是一种计算模型，其核心在于通过逻辑电路完美实现输入输出的双向映射（输入输出比特数严格相等）。其中NOT门（保利-X门）作为基础单元，通过逻辑取反操作展现可逆特性...

QCA技术原理

量子点细胞自动机(QCA)的核心元件是包含双电子与四个量子点的QCA细胞（图2）。库仑斥力使电子形成两种稳态：逻辑"1"(P=1)与逻辑"0"(P=0)，相邻45⁰旋转的QCA细胞可实现信号传输...

相关研究进展

Osman等学者基于通用G门库开发的可逆半加器/全加器电路，在量子计算中实现ALU单元的多比特操作，支持XOR/NAND等7种逻辑运算，达到零垃圾输出与低量子成本...

未来器件框架

本节详述量子计算基础理论，包括可逆加法器作为数学运算关键模块的构建原理，及其在算术逻辑单元(ALU)中的核心作用...

仿真验证

采用QCADesigner 2.0.3的"双稳态近似"引擎（参数见表3），图9-10显示可逆QCA全加器与RF加法器能精准生成输出向量，验证了设计的准确性...

结论与展望

本研究首创将可逆电路应用于QCA技术，通过新型4×4可逆门实现单比特加法器（D输入置零），在纳米数字设计中突破稳定性挑战，为超低功耗(kTln²模型)器件开辟新路径...