可逆計算デバイスの実現に関する基礎的研究

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「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。