基于量子遗传算法的量子细胞自动机仿真方法

利用遗传算法对基于半经典模型的量子细胞自动机进行仿真时,通常会遇到多个极值,容易陷入局部最优。为将量子遗传算法用于量子细胞自动机仿真,对量子遗传算法进行改进,将二进制量子位改为多进制量子位,重新设计了量子旋转门的调整策略,并给出了具体实现步骤。通过对测试函数寻优和量子细胞自动机电路的仿真,结果表明,改进后的量子遗传算法平均误差低,不易陷入局部极值,收敛速度较快,适用于量子细胞自动机仿真。

基于量子细胞自动机的全加器实现

基于量子细胞自动机的双稳态特性和数字电路,设计了异或门和加法器,采用半经典仿真方法对其进行了仿真,并与Tougaw等人设计的异或门和全加器进行了比较,结果显示在能实现同样的异或和加法功能的情况下,电路结构较为简单且使用的QCA数目大大减少,在规模上只有Tougaw设计的电路的一半左右,这对于减小以后设计的更复杂电路的规模有较大的借鉴意义。

基于量子细胞自动机的数值比较器设计

量子细胞自动机(QCA)可以构建逻辑门和QCA线。该文基于QCA设计了1位,4位和8位数值比较器,并用QCADesigner软件进行模拟。结果表明,所设计的电路具有正确的逻辑功能。通过对电路所需细胞数、面积和时延三方面性能分析,表明所设计的电路时延并不随输入位数呈线性增加,因而所设计的电路具有良好的时延性。

基于遗传模拟退火法的量子细胞自动机电路仿真

有机结合具有概率突跳特性的模拟退火和群体并行搜索的遗传算法的遗传模拟退火算法是一种有效搜索全局极值的算法,通过对算法操作和参数的合适设置,将其推广到量子细胞自动机电路的仿真。基于对量子细胞自动机基本逻辑电路的仿真结果验证了该算法的有效性,其性能明显优于Macussi等人提出的基于量子细胞自动机的模拟退火法。

量子细胞自动机及其仿真方法实现

基于量子力学理论,阐述了量子细胞自动机的结构、原理、特性及应用。给出了两种仿真方法的具体实现过程:细胞间哈特里逼近方法和半经典仿真方法,并分析了各自的优缺点。

基于量子细胞自动机的三变量通用阈值逻辑门电路实现

新型纳米器件量子细胞自动机(QCA)是新一代电子器件强有力的竞争者.与CMOS相比,其组成的电路具有低功耗、高集成度和高速等优点.而与神经元结构功能相似的通用阈值逻辑门具有较强的逻辑功能.在介绍QCA结构、工作原理、逻辑器件以及三变量通用阈值逻辑门的基础上,提出了双输出三变量通用阈值逻辑门的QCA电路实现方案.通过设计实例展示了基于双输出三变量QCA通用阈值逻辑门的查表设计方法.利用双输出三变量QCA通用阈值逻辑门可实现3变量全部256个逻辑函数.设计的QCA电路均用QCA Designer软件进行了仿真模拟.结果表明所设计的电路具有正确的逻辑功能.

基于量子细胞自动机的设计方法

简要介绍了量子细胞自动机这一新型纳电子器件,重点综述了量子细胞自动机系统的自顶向下和自底向上的两种设计方法,并比较了各自的优缺点,提出一种综合两种设计方法的设计思想。

固体介质中细胞自动机有限深势阱的量子力学分析

在细胞自动机有限深势阱模型的基础上,利用Lennard-Jones(12-6)势能,通过量子力学推导和分析,对模型中的势能和分子组能量的形式和分布进行了探讨.得到了分子组具有微观和宏观的性质的进一步说明(具有微观尺度特性的截断半径系数μ和具有宏观尺度特性的平衡半径系数τ),并讨论了μ和τ的变化对模型势能和能量的影响;得到了模型的Lennard-Jones(10-6)势能函数,并且势能是周期性分布的,在单个势阱中呈“桶”状;推出了分子组能量满足的关系式,并通过分析势能的变化,得到了模型中分子组能量的可能分布和一些规律,分子组的能量具有连续能带(势能为0)和不连续能带(势能不为0)结构;整体上单个势阱中相邻能量的间隔是逐渐增大的.

基于量子细胞自动机的只读存储器设计

结合量子细胞自动机的双稳态特性和传统的CMOS工艺设计存储器的思想,设计了4×5bit的只读存储器,并利用基于量子细胞自动机的遗传模拟退火法进行了仿真验证,结果显示该电路的正确性。由于采用了量子细胞自动机这一新型纳电子器件,存储器具有高集成度、低功耗等优点。

一种基于量子细胞自动机的三维量子细胞神经网络

以量子细胞自动机为神经元,提出了一种三维的量子细胞神经网络结构;该量子细胞网络包含上下两层的量子细胞自动机阵列,并引入了A模板、B模板以及阈值的概念。以量子细胞自动机的极化率为像素值,通过选择不同的模板、阈值等参数,使得量子细胞神经网络实现了"与"、"或"、"非"操作以及边缘提取等图像处理功能,并利用MATLAB进行了仿真验证,数值仿真结果验证了其在图像处理上的有效性。与传统的细胞神经网络相比,量子细胞神经网络易于实现超大规模且具有超低功耗、超高集成度等优点。

量子元胞自动机器件和电路的研究进展

量子元胞自动机(QCA)是一种新颖的纳米技术,该技术不再通过电流或电压而是基于场相互作用进行信息的计算和传递。首先,综述了两种量子元胞自动机(EQCA和MQCA)器件的计算原理、基本逻辑门和时钟。指出了QCA元胞构成的不同线结构可在相同层交叉传递信号而不受影响。然后,进一步总结了制备QCA器件和功能阵列或电路的实验方法和材料,得出MQCA器件和分子EQCA器件的发展将使该器件逐步达到实际应用水平的结论。详细讨论了目前QCA器件和电路(尤其是存储单元结构)研究取得的重要进展以及面临的问题。提出了QCA器件未来理论和应用研究中的开放课题和方向。

固体介质中弹性波传播机制的细胞自动机有限深势阱模型

分析了采用细胞自动机研究波动问题的建模方法 ,针对一维、均匀、各向同性固体介质中弹性纵波的微观机制 ,借用了经典弹簧振子模型、细胞自动机格子气模型 ,以及量子力学中的无限深势阱模型 ,建立了一个细胞自动机有限深势阱模型 .从量子力学角度出发 ,基于介观物理和纳米概念 ,以微观粒子的德布罗意假设为基础 ,利用薛定谔方程 ,讨论了该模型中粒子 (分子组 )的振动速度与粒子物质波波速之间的联系 ,给出了模型中的波动方程 ,得出 ζ =Vp(ζ为粒子振动速度 ,Vp 为物质波纵波波速 ) .同时还讨论了模型中粒子的大小和能量传递问题 ,引入引力场 ,得出了能量及引力势的量子化条件 .另外 ,对声波速度、格子气粒子振动速度和本文模型中分子组振动速度进行了比较 ;还对本文模型中的粒子能量分布作了分析 .

量子原胞自动机遗传模拟退火算法改进研究

针对量子原胞自动机遗传模拟退火算法仿真大型电路的效率低的不足,提出一种可以减小问题规模的局部遗传模拟退火算法。理论验证了可定态细胞的定态规则,对可定态细胞进行定义;采用定态规则计算可定态细胞极化状态与遗传模拟退火方法计算不可定态细胞极化状态相结合,从而有效地减小了问题的规模。通过仿真验证了基于定态规则的遗传模拟退火方法相比单纯遗传模拟退火方法更具优越性,不但加快了量子原胞自动机仿真的收敛速度而且提高了仿真的精确度。

基于量子元胞自动机的模可变计数器设计

模可变计数器是一种功能丰富、灵活性很强的时序逻辑电路。基于一种二维纳米尺度计算范例量子元胞自动机(QCA)设计了一种2位模可变计数器单元电路,该计数器由2个JK触发器和5个基本逻辑门构成。采用置零模式设置了计数器的初始状态,该方法为解决QCA时序逻辑电路设计中输出端随机初始状态的消除问题提供了一条有效途径。在QCA版图设计过程中,通过延迟匹配规则完成了反馈回路的时钟布线。QCADesigner软件仿真结果表明,设计的计数器具有正确的逻辑功能,当两位模式控制信号M2M1为01,10和11时,分别实现了模2、模3和模4计数。

基于量子元胞自动机的PLA故障分析和检测

量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)可编程逻辑阵列(programma-ble logic array,PLA)结构可用于实现大规模可编程逻辑电路。分析了4种故障类型发生在PLA单元的8个区域中的影响,得出了具体的影响效果。其中,直接或间接致使隐含线和与门发生逻辑错误的故障均会导致PLA中故障所在行整行失效,其他故障只会影响故障所在的PLA单元的逻辑功能和配置,而对PLA中的其他单元没有影响。此外,基于故障分析,提出了具体的PLA故障检测方法。

量子元胞自动机干支型交叉线及应用

量子元胞自动机(QCA)耦合功能阵列是一种二维的纳米尺度计算范式,可靠性较低的共面交叉线结构是QCA电路交叉互连时的薄弱环节。信号分布网络是实现交叉线功能的一种新方法,但面临元胞随机翻转干扰问题。为解决该问题,首先分析了QCA基本器件逻辑功能实现机理,并提出了一种干支型交叉线。该器件可以在两路信号相遇时选通干路信号屏蔽支路信号,从而达到抑制干扰信号的目的。通过仿真实验得出了其鲁棒功能结构和时钟分配原则。然后利用干支型交叉线改进了异或门设计,仿真结果进一步验证了其逻辑功能。

新型基于量子元胞自动机的3-8译码器

为进一步优化量子元胞自动机(QCA)电路的设计,采用5输入择多逻辑门,设计了新型3-8译码器,降低了延时和面积,提高了传输线的正确概率,减小了传输线之间的串扰,利用QCADesigner验证了3-8译码器的逻辑功能。与K.Moein等人提出的3-8译码器相比,该3-8译码器将延时降低了18%,面积减小了36%,交叉线数量减少了33%,最大传输线长度缩短了57%。性能的提升对于译码器的模块化设计和今后更大规模的QCA电路设计都具有借鉴意义。

两点量子元胞自动机逻辑电路设计与仿真

择多逻辑门和反相器是量子元胞自动机(QCA)逻辑电路的基本组件。设计了两点量子元胞自动机(两点QCA)的传输线、择多逻辑门和反相器等基本逻辑器件。通过仅在信号沿竖直方向传递需要取反时用到水平放置元胞的设计,使电路布局更加紧凑。利用这些基本逻辑器件完成了一位数值比较器电路的设计。基于两点QCA系统的半经典模型,利用遗传模拟退火法对电路功能进行了仿真。仿真结果显示,两点QCA同样能够有效实现传统四点QCA的功能,而其所需的电子数和量子点数均减少了32.1%,电路集成度提高了49.4%。

基于网表的量子元胞自动机时钟布局方案

量子细胞自动机(quantum cellular automaton,QCA)器件是一种具有时控工作特征的新型器件结构,与传统的通过电信号来表示二进制信息的方法不同,它是通过电子在QCA 细胞上占据的位置来表示的。正是由于QCA器件的时控工作特征,若没有一个系统合理的方法设计QCA时钟电路,则会导致电路时钟设计复杂、电路时钟周期冗余。文章基于传统集成电路成熟的网表技术,引入了新的网表参数,使得在进行电路器件设计时也能解决时钟布局的设计,缩短了电路设计时间、提高了时钟的合理布局。

基于量子元胞自动机的真随机数发生器设计

量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)是一种典型的纳米器件,有望成为VLSI设计中CMOS晶体管的替代者。文章基于QCA的内禀属性,以QCA交叉耦合结构为理论依据,设计一种真随机数发生器(true random number generator,TRNG),从基础单元的设计和仿真到最终实现位拓展的功能,全程都基于QCA-Designer软件平台加以实现。与之前类似的研究成果相比,该文所设计的电路结构大大降低了延迟、功耗和元胞面积,具有一定的优势。最终收集的仿真结果要经过行业标准测试,由美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)提供评估标准,证明了产生的随机序列具有优良的随机性。