面向量子电路设计的建模

论文摘要

随着量子通信与量子计算的深入发展,量子电路应用越来越广;与此同时,随着传统集成电路的迅猛发展,其集成规模也即将达到物理极限,而量子电路恰能解决其存在的问题,因此如何设计量子电路成为当今亟待解决的问题。在前人相关工作的基础上,本文为实现量子电路设计的建模,提出了针对量子电路中典型代表的两类电路设计——量子隐形传态电路和量子元胞自动机电路——的模型建立并实现实验验证。在量子隐形传态电路综合的建模中,考虑到物理底层实现多是采用光学方案以及量子隐形传态所要求传输量子比特需要可逆功能等因素,本文采用以线路模型为基础,针对电路的功能分为三段并分别加以研究考察;以量子逻辑门和Toffoli门集为基础,寻求电路综合的完备通用逻辑门集合并加以可逆化改造。在上述两者的基础上构建用于逻辑综合的电路模型并通过Matlab工具箱编译以实验验证;在量子元胞自动机电路的仿真的建模中,考虑到前人工作未能很好地兼顾模拟精确度和效率两方面的因素,本文提出在相对较高的设计层次上,采用以贝叶斯网络模型为基础进行电路建模,不仅使以上两方面因素得以有效地兼顾,还能得出相关参数对电路功能影响的效果。其中分别从定性和定量两方面着手,详细阐述了如何将贝叶斯网络模型与量子元胞自动机电路物理特性进行耦合的建模过程,即诸如元胞-节点间的相互转化,用密度矩阵描述概率分布函数以及各物理参数的量化等等,并举一例加以说明。最后通过Matlab工具箱编译以实验验证。通过实验验证,上述两个电路模型能够很好的模拟其分别对应的量子电路,而且具有很高的效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 第二章 面向量子电路设计建模的若干方案
• 2.1 基于真值表的变换法
• 2.2 基于PPRM 表达式变换法
• 2.3 模板法
• 2.4 小结
• 第三章 量子隐形传态的基本原理
• 3.1 量子位和量子门
• 3.1.1 量子位（qubit）
• 3.1.2 量子逻辑门
• 3.1.2.1 单比特量子门
• 3.1.2.2 二比特异或门（XOR）
• 3.2 量子隐形传态
• 3.2.1 基本思想和基本原理
• 3.2.2 基本过程
• 第四章 量子元胞自动机的基本原理
• 4.1 标准元胞及标准元胞间的响应
• 4.1.1 标准元胞
• 4.1.2 元胞-元胞响应
• 4.2 双稳饱和特性
• 4.2.1 双电子元胞
• 4.2.2 结论
• 4.3 量子元胞自动机器件
• 4.3.1 二进制传输线
• 4.3.1.1 直线阵列线
• 4.3.1.2 直角与扇形阵列线
• 4.3.2 反相器
• 4.3.3 表决器
• 4.3.4 可编程与/或门
• 4.3.5 与/或门
• 4.3.6 共面交联
• 4.4 量子元胞自动机技术的前景
• 4.4.1 量子元胞自动机技术的优势
• 4.4.2 量子元胞自动机与现有IC 集成
• 第五章 面向量子隐形传态电路综合的建模
• 5.1 量子计算与量子隐形传态
• 5.1.1 量子计算及其物理实现
• 5.1.2 量子隐形传态及其电路模型
• 5.2 量子隐形传态电路的建模
• 5.2.1 经典逻辑门电路与Toffoli 门电路
• 5.2.2 量子隐形传态的具体电路及其功能
• 5.2.3 建模准则
• 5.3 量子隐形传态电路模型的实现验证
• 第六章 面向量子元胞自动机电路仿真的建模
• 6.1 量子元胞自动机电路的建模
• 6.1.1 概述
• 6.1.2 贝叶斯网络概率模型
• 6.1.3 贝叶斯网络模型的建立
• 6.1.3.1 模型的定性化
• 6.1.3.2 模型的定量化
• 6.1.3.3 建模流程图
• 6.2 量子元胞自动机电路模型的实现验证
• 6.2.1 QCA 反相器的建模
• 6.2.2 实验结果
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文