量子点蜂窝自动机

量子点蜂窝自动机（QDCA，有时简称为量子蜂窝自动机，或QCA）是对传统计算机设计（CMOS）的一种改进建议，它是根据约翰-冯-诺伊曼介绍的蜂窝自动机的传统模型而设计的。

任何被设计用来表示数据和进行计算的设备，不管它利用的是什么物理原理和用来建造它的材料，都必须有两个基本属性：可区分性和状态的条件变化，后者意味着前者。

这意味着这样的设备必须有障碍物，使其有可能区分不同的状态，而且它必须有能力控制这些障碍物来进行有条件的状态改变。

例如，在数字电子系统中，晶体管扮演着这种可控制的能量屏障的角色，使得用它们进行计算变得极为实用。

细胞自动机（CA）是一个由统一的（有限的或无限的）单元格组成的离散动力系统。每个单元在离散时间只能处于有限数量的状态中的一个。

随着时间的推移，网格中每个单元的状态是由一个转换规则决定的，这个转换规则考虑了它之前的状态和紧邻的单元（单元的邻域）的状态。

细胞自动机最有名的例子是约翰-霍顿-康威的"生命游戏"，他在1970年描述了这个游戏。

细胞自动机通常作为软件程序实现。然而，在1993年，Lent等人提出了一个使用量子点单元的自动机的物理实现。

该自动机迅速得到普及，并在1997年首次被制造出来。

伦特结合了细胞自动机和量子力学的离散性，创造了纳米级的设备，能够以非常高的开关速度（太赫兹级）进行计算，并消耗极少量的电能。

今天，标准的固态QCA电池设计认为量子点之间的距离约为20纳米，而电池之间的距离约为60纳米。就像任何CA一样，量子（-点）蜂窝自动机是基于放置在网格上的单元之间的简单互动规则。

一个QCA单元是由四个量子点组成的，以方形图案排列。这些量子点是电子可以通过隧道进入它们所占据的位置。

显示了一个量子点电池的简化图。如果电池带着两个电子，每个电子都可以自由地隧道到电池中的任何位置，由于相互之间的静电排斥，这些电子将试图占据最远的位置。因此，存在两种可区分的电池状态。显示了一个量子点电池的两种可能的最小能量状态。

虽然是任意选择，但用细胞极化P=-1代表逻辑"0"，P=+1代表逻辑"1"已经成为标准做法。QCA线格排列的量子点单元的行为方式可以进行计算。最简单的实用单元排列是通过将量子点单元串联起来，放在彼此的一侧而得到的。

图4显示了四个量子点单元的这种排列方式。图中的边框并不代表物理实现，而是作为识别单个单元的手段。所示的排列中的任何一个单元的偏振被改变（由一个驱动单元），其余的单元将立即同步到新的偏振，由于它们之间的库伦相互作用。通过这种方式，可以制成一条传输偏振状态的量子点电池线。

这种线的配置可以形成一套完整的计算用的逻辑门。在QCA中可能有两种类型的线：如图4所示的简单的二进制线和一个反相链，它是由45度反相的QCA单元并排放置构成的。

多数门和反相（NOT）门被认为是QCA的两个最基本的构建模块。图5显示了一个有三个输入和一个输出的多数门。

在这种结构中，每个输入对输出的电场效应是相同的，而且是相加的，其结果是，无论哪一个输入状态（二进制0或二进制1）处于多数，都会成为输出单元的状态--因此该门的名称也是如此。

例如，如果输入A和B处于"二进制0"状态，而输入C处于"二进制1"状态，那么输出将处于"二进制0"状态，因为输入A和B的组合电场效应大于输入C的单独电场效应。

其他类型的门，即AND门和OR门，可以使用一个在其一个输入端有固定极化的多数门来构建。另一方面，NOT门在本质上是不同的。