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可逆計算デバイスの実現に関する基礎的研究

实现可逆计算装置的基础研究

基本信息

批准号：
13750294
负责人：
赤澤正道
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

「可逆計算デバイス」には、熱的な可逆性と論理的な可逆性が要求される。本研究では、単電子デバイスの準静的動作の極限(低周波極限)が、可逆動作となる可能性があることを示した。電子デバイスにおいても、完全な熱的可逆動作は熱力学の第2法則によって否定されるが、準静的動作により極めて可逆に近い動作を実現することは物理的に否定されるものではない。しかし、電子デバイスを準静的に駆動しても、個々のデバイスが閾値をもち、その閾値において急峻なエネルギー変化を伴う限り、消費電力の低減は制限を受ける。これは、たとえ、理想的な特性を持つ量子細線トランジスタを用いたとしても同じことである。ところが、適切に設計された単電子デバイスは、励起準位を介することなく基底状態のみで動作することが可能であり、量子極限近傍で急激なエネルギーの損失が起こらないように動作することができるので、準静的動作により消費電力を任意に小さくできる。したがって、適切に設計された単電子回路の準静的動作の低周波極限は、電源から供給されたエネルギーが電荷の回収とともに完全に電源に戻されるような充放電動作、すなわち可逆動作となる。集積回路用の極微細加工はすでに、寸法的にはメゾスコピック領域に入っており、単電子現象の利用さえも、不可能ではなくなってきている。このような動向の中で、本発見は大きな意義を持つ。すなわち、Fredkin-Toffoliゲートのような可逆ゲートを用いて可逆論理回路を構成し、1個の電子の動きまで配慮して電荷の回収・再利用を完全に行い、急峻なエネルギー変化が起こらないように動作させることにより、熱的にも極めて可逆に近い可逆計算システムを実現することができる。

「Reversible calculation method」には、Thermal reversibility and theoretical reversibility requirementsされる. This study shows the limit of quasi-static operation (low frequency limit) of single electrons and the possibility of reversible operation. Electron デバイスにおいても、Complete reversible action of heat はThe second law of thermodynamics によって Negation されるが、 The movement of quasi-static is extremely reversible, the action of close proximity is the movement of quasi-quiet, and the movement of quasi-static is negation of physics.しかし, electronic デバイスをquasi-quiet に駆动しても, individual 々のデバイスが threshold value をもち, そのThe threshold value has been reduced and the power consumption has been reduced and the power consumption has been reduced and the limit has been reduced.これは, たとえ, ideal な characteristic をhold つ quantum thin thread トランジスタを Use いたとしても Same as じことである.ところが, Suitable design された単electronic デバイスは, Excitation level をmediated することなくBasic state のみでaction することがpossible であり, Quantum limit The near and sharp action of the loss is the action of the nearer.ができるので、quasi-quiet movement によりconsuming electricity をarbitrary に小さくできる.したがって、Appropriate design された単electronic circuit のquasi-quiet operation のlow frequency limit は、Power supply されたエネルギーがcharge recovery and とともにcomplete power supply に戻されるようなcharge and discharge action, すなわちreversible action となる. Entering into the field of ultra-fine machining of integrated circuits and micro-machining of inch methodsっており、Utilization of the single electron phenomenon さえも、Impossible ではなくなってきている.このようなdynamicsの中で、本発见は大きなmeaningをholdつ.すなわち, Fredkin-Toffoli ゲートのような reversible ゲートを is composed of a いて reversible theoretical circuit を, 1 のelectron のmoving きまで configuration して charge の recovery and recycling Use なエネルギー変化が起こらないようにactionさせることにより, hot にも extremely めて reversible にNearly い reversible calculation システムを実appear することができる.