快速单通量量子

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在电子学中,快速单通量量子(RSFQ)是一种数字电子设备,它使用超导器件,即约瑟夫森结来处理数字信号。在RSFQ逻辑中,信息以磁通量量子的形式存储,并以单通量量子(SFQ)电压脉冲的形式传输。RSFQ是超导或SFQ逻辑的一个系列。其他包括互惠量子逻辑(RQL)、ERSFQ——不使用偏置电阻的节能RSFQ版本等。约瑟夫森结是RSFQ电子器件的有源元件,就像晶体管是半导体电子器件的有源元件一样。RSF...

快速单通量量子

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电子学中,快速单通量量子(RSFQ)是一种数字电子设备,它使用超导器件,即约瑟夫森结来处理数字信号。 在 RSFQ 逻辑中,信息以磁通量量子的形式存储,并以单通量量子 (SFQ) 电压脉冲的形式传输。 RSFQ 是超导或 SFQ 逻辑的一个系列。 其他包括互惠量子逻辑 (RQL)、ERSFQ——不使用偏置电阻的节能 RSFQ 版本等。约瑟夫森结是 RSFQ 电子器件的有源元件,就像晶体管半导体电子器件的有源元件一样。 RSFQ 是一种经典的数字技术,而不是量子计算技术。

RSFQ 与传统计算机中使用的 CMOS 晶体管技术有很大不同:

  • 超导设备需要低温。
  • 约瑟夫森结产生的皮秒持续时间 SFQ 电压脉冲用于编码、处理和传输数字信息,而不是半导体电子器件中晶体管产生的电压电平。
  • SFQ 电压脉冲在超导传输线上传播,如果脉冲高于超导体能隙的频率,如果没有光谱分量,则色散非常小且通常可以忽略不计。
  • 对于 1 ps 的 SFQ 脉冲,可以以 100 GHz 的频率为电路提供时钟(每 10 皮秒一个脉冲)。

当通过包含约瑟夫森结的超导回路的磁通量因结切换而改变一个通量量子 Φ0 时,会产生 SFQ 脉冲。 SFQ 脉冲具有量化区域 ʃV(t)dt = Φ0 ≈ 2.07×10−15 Wb = 2.07 mV⋅ps = 2.07 mA⋅pH,这是由于磁通量量化,这是超导体的基本属性。 根据约瑟夫森结的参数,脉冲可以窄至 1 ps,幅度约为 2 mV,或更宽(例如 5-10 ps),幅度相应较低。 脉冲幅度的典型值约为 2IcRn,其中 IcRn 是结临界电流 Ic 和结阻尼电阻 Rn 的乘积。 对于基于 Nb 的结技术,IcRn 约为 1 mV。

优势

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  • 可与 CMOS 电路、微波和红外技术互操作
  • 极快的工作频率:从几十GHz到几百GHz
  • 低功耗:比 CMOS 半导体电路低约 100,000 倍,不考虑制冷
  • 可以调整现有的芯片制造技术来制造 RSFQ 电路
  • 对制造差异具有良好的容忍度
  • RSFQ 电路本质上是自计时的,使异步设计更加实用。

缺点

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  • 需要低温冷却。 传统上,这是使用液氮液氦等低温液体实现的。 最近,闭式循环低温冷却器(例如脉冲管制冷机)已获得相当大的普及,因为它们消除了既昂贵又需要定期重新填充的低温液体。 低温冷却也是一个优势,因为它可以降低工作环境的热噪声。
  • 可以通过使用高温超导体来放宽冷却要求。 然而,迄今为止,使用高温超导体仅实现了非常低复杂度的 RFSQ 电路。 人们认为,基于 SFQ 的数字技术在温度高于 ~ 20 K – 25 K 时变得不切实际,因为参数 EJ/kBT 随温度 T 升高而降低,导致误码率呈指数增长(热感应结开关),其中 EJ = IcΦ0/2π为约瑟夫森能。
  • 静态功耗通常是执行逻辑运算所需动态功耗的 10-100 倍,这是缺点之一。 但是,在 RSFQ 的 ERSFQ 版本中,通过使用超导电感器和约瑟夫森结代替偏置电阻器(静态功耗的来源)消除了静态功耗。
  • 由于 RSFQ 是一项颠覆性技术,因此仍有待开发专门的教育学位和特定的商业软件

快速单通量量子

应用

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  2. 优势
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