基于可逆邏輯電路的脈沖分配器設計

摘要：可逆邏輯電路能大幅度降低能耗，越來(lái)越受到研究人員重視。運用可逆邏輯電路對傳統脈沖分配器進(jìn)行可逆設計，并提供了物理實(shí)現方法。首先對傳統的脈沖分配器中的觸發(fā)器和計數器進(jìn)行可逆設計，然后將傳統脈沖分配器的中的計數器進(jìn)行替換，最后將可逆計數器和譯碼器級聯(lián)，從而構建可逆脈沖分配器。仿真結果表明實(shí)現了脈沖分配器的功能。
關(guān)鍵詞：可逆邏輯電路；D觸發(fā)器；可逆脈沖分配器；電子波導Y-分支開(kāi)關(guān)

隨著(zhù)集成電路規模的增加，其能耗問(wèn)題已經(jīng)愈發(fā)引起研究者的注意。Bennett最早證明能耗來(lái)源于計算過(guò)程中的不可逆操作，傳統數字電路由于不可逆計算導致信息的擦除導致能量的消耗，Landauer指出，每一個(gè)信息位的丟失對應KT*Ln2焦耳的熱量產(chǎn)生，式中K是波爾茲曼常量，T是絕對溫度。雖然單個(gè)信息位散失能量很少，但對于超大規模集成電路，功耗不能忽略。如果組成電路的所有門(mén)均能夠執行可逆計算，即不存在信息位的擦除，理論上可以實(shí)現集成電路的零損耗。目前廣泛研究的量子運算是一種具體的可逆計算，即能夠從根本上解決集成電路功耗問(wèn)題。
量子計算可以由可逆邏輯電路實(shí)現．現有的研究對可逆邏輯電路研究很多，但大都集中在可逆組合邏輯電路方面，時(shí)序邏輯電路方面研究的比較少，文獻首次提出了可逆觸發(fā)器的設計方法，但沒(méi)有考慮電路的性能指標。文獻提出了可逆主從觸發(fā)器的設計方法。文獻設計了對數式移位寄存器設計方法，但是僅能適用于此類(lèi)寄存器?，F在沒(méi)有通用的設計方法可以適用不同種類(lèi)的可逆時(shí)序邏輯電路設計。
針對可逆邏輯電路現有的問(wèn)題，提出了一種方法，將傳統的不可逆時(shí)序邏輯電路轉化為可逆時(shí)序邏輯電路。并且以典型的可逆時(shí)序邏輯電路中的脈沖分配器的設計方為例，設計了可逆脈沖分配器，通過(guò)將不可逆脈沖分配器中的基本邏輯門(mén)替換成可逆邏輯門(mén)，達到將不可逆時(shí)序電路轉換為可逆時(shí)序電路的目的。

1 可逆邏輯電路的基本概念
量子計算機中，信息的基本單元是量子比特，即量子位，信息的基本操作元件是可逆邏輯門(mén)。量子比特是信息的載體，量子比特的信息經(jīng)可逆邏輯門(mén)操作處理后，最后得到計算結果。
定義1組成可逆邏輯電路的基本單元必須是可逆邏輯門(mén)，并且還需要滿(mǎn)足以下約束條件：1)電路中無(wú)扇人扇出操作，2)輸入與輸出位數相等，3)對應電路真值表滿(mǎn)足一一映射。
定義2任何一個(gè)較復雜的可逆邏輯門(mén)均是由或基本可逆邏輯門(mén)構成。量子代價(jià)用來(lái)衡量一個(gè)量可逆邏輯電路的復雜性，用實(shí)現一個(gè)可逆邏輯電路所需要的或者基本可逆邏輯門(mén)的數量表示，不管內部結構如何，一個(gè)基本可逆邏輯門(mén)的量子損耗是1。
定義3在可逆邏輯電路中，除期望輸出外的剩余輸出稱(chēng)為垃圾位。垃圾位是無(wú)用輸出位，也是電路能耗產(chǎn)生的根源。因此垃圾位數量的多少是評價(jià)可逆邏輯電路的一個(gè)最重要的性能指標。當添加垃圾位輸出后，為使量子可逆邏輯電路的輸入輸出位數相等，需在輸入端添加一定數量的常量輸入，常量輸入的位數也影響到可逆邏輯電路綜合的量子代價(jià)，常量輸入取0或1。
常用可逆邏輯門(mén)如圖1所示。

Feynman門(mén)(FG門(mén))有兩個(gè)輸入量子比特，分別是控制量子比特和目標量子比特。它所實(shí)現的功能為當控制量子比特為0時(shí)，目標量子比特不變；而當控制量子比特為1時(shí)，目標量子比特將反轉。FG門(mén)的線(xiàn)路如圖1(a)所示。其中，P、Q為FG門(mén)的兩個(gè)輸出量子比特，FG門(mén)能夠實(shí)現線(xiàn)路的復制功能。當B=0時(shí)，可得到兩個(gè)相同的輸出A。因此，FG門(mén)能夠實(shí)現可逆邏輯量子比特的復制。
F2G門(mén)又叫做Feynman Double gate(F2G)，有3個(gè)輸入比特，能完成輸入比特的兩位復制。
FRG門(mén)，又稱(chēng)受控交換門(mén)，是一種三輸入輸出的可逆邏輯門(mén)，如圖所示。當控制端為0時(shí)，FRG為三輸入輸出的直通門(mén)，即P=A、Q=B、R=C。當控制端A輸入信號為1時(shí)，P=A，Q=C，R=B。
TG門(mén)是最常用的多比特可逆邏輯門(mén)，輸入位由兩個(gè)控制比特位和一個(gè)被控比特來(lái)構建符合特定要求的可逆邏輯電路。此外，門(mén)可以通過(guò)修改控制位數量，構成具有不同數量控制位TG門(mén)系列，以此來(lái)構建符合特定要求的可逆邏輯電路。