Hispanopedia WikiLos autómatas celulares de puntos cuánticos (QDCA, a veces denominados simplemente autómatas celulares cuánticos o QCA) son una mejora propuesta para el diseño convencional de computadoras ( CMOS ), que se han ideado por analogía con los modelos convencionales de autómatas celulares introducidos por John von Neumann .
Fondo
Cualquier dispositivo diseñado para representar datos y realizar cálculos, independientemente de los principios físicos que utilice y los materiales empleados en su construcción, debe poseer dos propiedades fundamentales: distinguibilidad y cambio de estado condicional , siendo esta última implicativa de la primera. Esto significa que dicho dispositivo debe contar con barreras que permitan distinguir entre estados y que debe tener la capacidad de controlar dichas barreras para realizar cambios de estado condicionales . Por ejemplo, en un sistema electrónico digital, los transistores desempeñan la función de estas barreras de energía controlables, lo que hace que su uso para la computación sea sumamente práctico.
Autómatas celulares
Un autómata celular (AC) es un sistema dinámico discreto que consta de una cuadrícula uniforme (finita o infinita) de celdas. Cada celda puede estar en uno de un número finito de estados en un instante discreto. A medida que transcurre el tiempo, el estado de cada celda en la cuadrícula se determina mediante una regla de transformación que tiene en cuenta su estado anterior y los estados de las celdas inmediatamente adyacentes (su "vecindario"). El ejemplo más conocido de autómata celular es el " Juego de la Vida " de John Horton Conway , que describió en 1970.
Células de puntos cuánticos
Origen
Los autómatas celulares se implementan comúnmente como programas de software. Sin embargo, en 1993, Lent et al. propusieron una implementación física de un autómata utilizando celdas de puntos cuánticos . El autómata rápidamente ganó popularidad y se fabricó por primera vez en 1997. Lent combinó la naturaleza discreta de los autómatas celulares con la mecánica cuántica para crear dispositivos a nanoescala capaces de realizar cálculos a velocidades de conmutación muy altas (del orden de terahercios) y consumiendo cantidades extremadamente pequeñas de energía eléctrica.
Células modernas
Actualmente, el diseño estándar de celdas QCA de estado sólido considera una distancia entre puntos cuánticos de aproximadamente 20 nm y una distancia entre celdas de aproximadamente 60 nm. Al igual que cualquier autómata celular (AC), los autómatas celulares cuánticos (de puntos cuánticos) se basan en reglas de interacción simples entre celdas dispuestas en una cuadrícula . Una celda QCA se construye a partir de cuatro puntos cuánticos dispuestos en un patrón cuadrado. Estos puntos cuánticos son sitios que los electrones pueden ocupar mediante efecto túnel .
Diseño celular
La figura 2 muestra un diagrama simplificado de una celda de punto cuántico. [ 1 ] Si la celda está cargada con dos electrones, cada uno libre para tunelar a cualquier sitio en la celda, estos electrones intentarán ocupar el sitio más alejado posible entre sí debido a la repulsión electrostática mutua . Por lo tanto, existen dos estados de celda distinguibles. La figura 3 muestra los dos posibles estados de energía mínima de una celda de punto cuántico. El estado de una celda se llama su polarización , denotada como P. Aunque se elige arbitrariamente, usar la polarización de la celda P = -1 para representar la lógica “0” y P = +1 para representar la lógica “1” se ha convertido en práctica estándar.
Cable QCA
Las configuraciones en cuadrícula de celdas de puntos cuánticos permiten realizar cálculos. La configuración práctica más sencilla consiste en colocar las celdas de puntos cuánticos en serie , una al lado de la otra. La figura 4 muestra una configuración de cuatro celdas de puntos cuánticos. Los recuadros delimitadores de la figura no representan la implementación física, sino que sirven para identificar las celdas individuales.
Si se modificara la polarización de cualquiera de las celdas en la disposición mostrada en la figura 4 (mediante una celda controladora), el resto de las celdas se sincronizarían inmediatamente con la nueva polarización debido a las interacciones coulombianas entre ellas. De esta manera, se puede crear un "cable" de celdas de puntos cuánticos que transmita el estado de polarización. Las configuraciones de dichos cables pueden formar un conjunto completo de compuertas lógicas para realizar cálculos.
En QCA existen dos tipos de cables posibles: un cable binario simple, como se muestra en la Figura 4, y una cadena de inversores, que se constituye colocando celdas QCA invertidas a 45 grados una al lado de la otra.
Puertas lógicas
Puerta de la mayoría
La puerta de mayoría y la puerta inversora (NOT) se consideran los dos bloques de construcción fundamentales de QCA. La figura 5 muestra una puerta de mayoría con tres entradas y una salida. En esta estructura, el efecto del campo eléctrico de cada entrada sobre la salida es idéntico y aditivo, de modo que el estado de entrada mayoritario ("binario 0" o "binario 1") se convierte en el estado de la celda de salida; de ahí el nombre de la puerta. Por ejemplo, si las entradas A y B están en estado binario 0 y la entrada C está en estado binario 1, la salida estará en estado binario 0, ya que el efecto combinado del campo eléctrico de las entradas A y B es mayor que el de la entrada C por sí sola.
Otras puertas
Otros tipos de compuertas, como las compuertas AND y OR , se pueden construir utilizando una compuerta de mayoría con polarización fija en una de sus entradas. Una compuerta NOT , por otro lado, es fundamentalmente diferente de la compuerta de mayoría, como se muestra en la Figura 6. La clave de este diseño reside en que la entrada se divide y ambas entradas resultantes inciden oblicuamente en la salida. A diferencia de una disposición ortogonal, el efecto del campo eléctrico de esta estructura de entrada fuerza una inversión de la polarización en la salida.
Transición de estado
Existe una conexión entre las celdas de puntos cuánticos y los autómatas celulares. Las celdas solo pueden estar en uno de dos estados, y el cambio de estado condicional en una celda está determinado por el estado de sus vecinas adyacentes. Sin embargo, es necesario un método para controlar el flujo de datos y definir la dirección en la que se produce la transición de estado en las celdas QCA. Los relojes de un sistema QCA cumplen dos funciones: alimentar el autómata y controlar la dirección del flujo de datos. Los relojes QCA son áreas de material conductor bajo la red del autómata , que modulan las barreras de tunelización de electrones en las celdas QCA situadas sobre ella.
Cuatro etapas
Un reloj QCA induce cuatro etapas en las barreras de tunelización de las celdas situadas encima. En la primera etapa, las barreras de tunelización comienzan a elevarse. La segunda etapa se alcanza cuando las barreras de tunelización son lo suficientemente altas como para impedir que los electrones atraviesen el túnel. La tercera etapa se produce cuando la barrera alta comienza a descender. Finalmente, en la cuarta etapa, las barreras de tunelización permiten que los electrones vuelvan a atravesar el túnel libremente. En resumen, cuando la señal del reloj es alta, los electrones pueden atravesar el túnel libremente. Cuando la señal del reloj es baja, la celda queda bloqueada .
La figura 7 muestra una señal de reloj con sus cuatro etapas y los efectos en una celda en cada etapa. Un diseño QCA típico requiere cuatro relojes, cada uno de los cuales está desfasado cíclicamente 90 grados con respecto al anterior. Si un cable horizontal constara, por ejemplo, de 8 celdas y cada par consecutivo, comenzando desde la izquierda, se conectara a cada reloj consecutivo, los datos fluirían naturalmente de izquierda a derecha. El primer par de celdas permanecerá bloqueado hasta que el segundo par se bloquee, y así sucesivamente. De esta manera, la dirección del flujo de datos se puede controlar mediante las zonas del reloj.
Cruce de cables
El cruce de cables en celdas QCA se puede realizar utilizando dos orientaciones diferentes de puntos cuánticos (una a 45 grados de la otra) y permitiendo que un cable compuesto de un tipo atraviese perpendicularmente un cable del otro tipo, como se muestra esquemáticamente en la figura 8. Las distancias entre los puntos en ambos tipos de celdas son exactamente las mismas, lo que produce las mismas interacciones coulombianas entre los electrones de cada celda. Sin embargo, los cables compuestos por estos dos tipos de celdas son diferentes: un tipo propaga la polarización sin cambios; el otro invierte la polarización de una celda adyacente a la siguiente. La interacción entre los diferentes tipos de cables en el punto de cruce no produce ningún cambio neto de polarización en ninguno de los cables, lo que permite que las señales en ambos se conserven.
Problemas de fabricación
Aunque esta técnica es bastante simple, representa un enorme problema de fabricación. Un nuevo tipo de patrón celular puede duplicar el costo de fabricación y la infraestructura necesaria; el número de posibles ubicaciones de puntos cuánticos en una red intersticial se duplica, lo que inevitablemente incrementa la complejidad del diseño geométrico. Otro problema que presenta esta técnica es que el espacio adicional entre celdas de la misma orientación disminuye las barreras de energía entre el estado fundamental y el primer estado excitado de una celda . Esto degrada el rendimiento del dispositivo en términos de temperatura máxima de funcionamiento, resistencia a la entropía y velocidad de conmutación.
Red de barras cruzadas
Christopher Graunke , David Wheeler , Douglas Tougaw y Jeffrey D. Will presentaron una técnica diferente de interconexión de cables que facilita la fabricación de dispositivos QCA en su artículo titulado «Implementación de una red de interconexión mediante autómatas celulares de puntos cuánticos». El artículo no solo presenta un nuevo método para implementar la interconexión de cables, sino que también ofrece una nueva perspectiva sobre la sincronización QCA.
Su técnica de interconexión introduce el concepto de implementar dispositivos QCA capaces de realizar cálculos en función de la sincronización . Esto implica la posibilidad de modificar la función del dispositivo mediante el sistema de reloj sin realizar cambios físicos en el mismo. De este modo, el problema de fabricación mencionado anteriormente se resuelve completamente mediante: a) el uso de un único tipo de patrón de puntos cuánticos y b) la capacidad de crear un bloque de construcción QCA universal de complejidad adecuada, cuya función está determinada únicamente por su mecanismo de temporización (es decir, sus relojes).
Sin embargo, la conmutación cuasiadiabática requiere que las barreras de tunelización de una celda se conmuten relativamente despacio en comparación con la velocidad de conmutación intrínseca de un QCA. Esto evita las oscilaciones y los estados metaestables que se observan cuando las celdas se conmutan bruscamente. Por lo tanto, la velocidad de conmutación de un QCA no está limitada por el tiempo que tarda una celda en cambiar de polarización, sino por el tiempo de conmutación cuasiadiabática adecuado de los relojes utilizados.
Paralelo a la serie
Al diseñar un dispositivo con capacidad de computación, a menudo es necesario convertir líneas de datos paralelas en un flujo de datos en serie . Esta conversión permite reducir diferentes datos a una serie de valores dependientes del tiempo en un solo cable. La Figura 9 muestra un dispositivo QCA de conversión paralelo a serie. Los números en las áreas sombreadas representan diferentes zonas de reloj en fases consecutivas de 90 grados. Observe que todas las entradas están en la misma zona de reloj. Si se enviaran datos paralelos a las entradas A, B, C y D, y luego no se enviaran más durante al menos las 15 fases de transmisión en serie restantes , la salida X presentaría los valores de D, C, B y A, en ese orden, en las fases tres, siete, once y quince. Si se agregara una nueva región de reloj en la salida, se podría sincronizar para registrar un valor correspondiente a cualquiera de las entradas seleccionando correctamente un período de bloqueo de estado apropiado.
La nueva región de reloj de enclavamiento sería completamente independiente de las otras cuatro zonas de reloj ilustradas en la figura 9. Por ejemplo, si el valor de interés para la nueva región de enclavamiento fuera el valor que D presenta cada 16.ª fase, el mecanismo de reloj de la nueva región tendría que configurarse para enclavar un valor en la 4.ª fase y cada 16.ª fase a partir de entonces, ignorando así todas las entradas excepto D.
Líneas serie adicionales
Agregar una segunda línea serie al dispositivo y otra región de enclavamiento permitiría almacenar dos valores de entrada en dos salidas diferentes. Para realizar el cálculo, se agrega una puerta lógica que recibe como entradas ambas líneas serie en sus respectivas salidas. Esta puerta se coloca sobre una nueva región de enclavamiento configurada para procesar datos solo cuando ambas regiones de enclavamiento, al final de las líneas serie, contienen los valores de interés simultáneamente. La Figura 10 muestra dicha configuración. Si se configura correctamente, las regiones de enclavamiento 5 y 6 contendrán valores de entrada de interés para la región de enclavamiento 7. En ese instante, la región de enclavamiento 7 permitirá que los valores almacenados en las regiones 5 y 6 pasen a través de la puerta lógica AND, de modo que la salida podría configurarse como el resultado de la operación AND de dos entradas cualesquiera (por ejemplo, R y Q) simplemente configurando las regiones de enclavamiento 5, 6 y 7.
Esto representa la flexibilidad para implementar 16 funciones, sin modificar el diseño físico. Obviamente, la adición de líneas serie y entradas paralelas aumentaría el número de funciones implementables. Sin embargo, una desventaja importante de estos dispositivos es que, a medida que aumenta el número de funciones implementables, se requiere un mayor número de regiones de reloj. En consecuencia, un dispositivo que utilice este método de implementación de funciones puede tener un rendimiento significativamente menor que su contraparte tradicional.
Fabricación
En términos generales, existen cuatro clases diferentes de implementaciones de QCA: de isla metálica, de semiconductor, molecular y magnética.
Isla metálica
La implementación con islas metálicas fue la primera tecnología de fabricación creada para demostrar el concepto de QCA. Originalmente, no se pretendía que compitiera con la tecnología actual en términos de velocidad y practicidad, ya que sus propiedades estructurales no son adecuadas para diseños escalables. El método consiste en construir puntos cuánticos utilizando islas de aluminio. Los primeros experimentos se realizaron con islas metálicas de hasta 1 micrómetro de dimensión. Debido al tamaño relativamente grande de las islas, los dispositivos de islas metálicas debían mantenerse a temperaturas extremadamente bajas para que los efectos cuánticos (conmutación de electrones) fueran observables.
Semiconductor
Las implementaciones de QCA en semiconductores (o estado sólido ) podrían utilizarse para fabricar dispositivos QCA con los mismos procesos de fabricación de semiconductores de alta tecnología que se emplean para los dispositivos CMOS. La polarización de la celda se codifica como la posición de la carga, y las interacciones de los puntos cuánticos se basan en el acoplamiento electrostático. Sin embargo, los procesos de semiconductores actuales aún no permiten la producción en masa de dispositivos con características tan pequeñas (≈20 nanómetros). Los métodos de litografía en serie , si bien hacen posible la implementación de QCA en estado sólido, no son necesariamente prácticos. La litografía en serie es lenta, costosa e inadecuada para la producción en masa de dispositivos QCA de estado sólido. Actualmente, la mayoría de los experimentos de creación de prototipos de QCA se realizan utilizando esta tecnología de implementación.
Molecular
Un método propuesto, pero aún no implementado, consiste en construir dispositivos QCA a partir de moléculas individuales. [ 2 ] Las ventajas esperadas de este método incluyen: una estructura de celda QCA altamente simétrica, velocidades de conmutación muy altas, una densidad de dispositivos extremadamente alta, funcionamiento a temperatura ambiente e incluso la posibilidad de producir dispositivos en masa mediante autoensamblaje. Sin embargo, aún quedan por resolver varios desafíos técnicos, como la selección de moléculas, el diseño de mecanismos de interfaz adecuados y la tecnología de sincronización, antes de que este método pueda implementarse.
Magnético
La QCA magnética, comúnmente conocida como MQCA (o QCA: M), se basa en la interacción entre nanopartículas magnéticas . El vector de magnetización de estas nanopartículas es análogo al vector de polarización en todas las demás implementaciones. En MQCA, el término "cuántico" se refiere a la naturaleza cuántico-mecánica de las interacciones de intercambio magnético y no a los efectos de tunelización de electrones. Los dispositivos construidos de esta manera podrían funcionar a temperatura ambiente.
Mejora con respecto a CMOS
La tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) ha sido el estándar de la industria para la implementación de dispositivos de integración a muy gran escala (VLSI) durante las últimas cuatro décadas, principalmente debido a las consecuencias de la miniaturización de dichos dispositivos (es decir, el aumento de la velocidad de conmutación, el incremento de la complejidad y la disminución del consumo de energía). Los autómatas celulares cuánticos (QCA) son solo una de las muchas tecnologías alternativas propuestas como solución para superar las limitaciones fundamentales que la tecnología CMOS impondrá en los próximos años.
Si bien la tecnología QCA resuelve la mayoría de las limitaciones de la tecnología CMOS, también presenta las suyas propias. Las investigaciones sugieren que el tiempo de conmutación intrínseco de una celda QCA es, en el mejor de los casos, del orden de los terahercios. Sin embargo, la velocidad real puede ser mucho menor, del orden de los megahercios para la tecnología QCA de estado sólido y de los gigahercios para la tecnología QCA molecular, debido al ajuste adecuado de la frecuencia de conmutación del reloj cuasiadiabático.
Referencias
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- Los primeros informes publicados que introducen el concepto de autómata cuántico:
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- Niemier, M. 2004. Diseño de sistemas digitales en autómatas celulares cuánticos , tesis doctoral, Universidad de Notre Dame.
- Actualizaciones recientes :
- Autómatas cuánticos reversibles : http://cogprints.org/3697/
- Nanoautómatas cuánticos. : http://doc.cern.ch/archive/electronic/other/ext/ext-2004-125/Quantumnanoautomata.doc
- Categorías de autómatas cuánticos. :
Enlaces externos
- – Página principal de QCA en Notre Dame
- Autómatas celulares
- Ciencia de la información cuántica
- Puntos cuánticos