量子可逆逻辑电路自动合成的方法研究

摘要

随着集成电路集成度的日益提高,电子元器件内部的量子效应越来越明显。传统计算机芯片在提高集成度的同时也在逐渐逼近它的“物理极限”。另外,集成电路本身的能耗和散热问题也制约着芯片集成度的进一步提高。量子可逆逻辑电路所实现的都是可逆操作,理论上既不丢失信息也不存在热耗散,能够有效解决集成电路的能耗问题,因此量子可逆逻辑电路的研究引起了人们的极大兴趣。为了得到满足功能要求并且结构简单的量子可逆逻辑电路,一个良好的合成方法是必不可少的,因此,量子可逆逻辑电路合成方法的研究变得越来越重要。
　　 量子可逆逻辑电路的合成主要是研究在给定量子逻辑门和所需要合成电路的逻辑功能要求的约束条件下,找到满足要求的量子可逆逻辑电路,并且要求电路中所使用的量子逻辑门的数量尽可能地少。
　　 本文提出了一种基于“图”编码的克隆选择算法(Graph-based Clonal Selected Algorithm,简称GCSA)来自动合成量子可逆逻辑电路。在该方法中,首先使用“图”编码来表示量子可逆逻辑电路,“图”的编码具有映射简单、操作便捷等优点。继而,设计了五种用来修改“图”结构的操作算子,这些操作算子能够使电路的结构变化更加丰富,最终在此基础上实现了基于“图”编码的克隆选择算法并且完成了量子可逆逻辑电路的自动合成。量子可逆逻辑电路合成实验的结果表明,本文所提出的方法在中小规模的量子可逆逻辑电路的自动合成中有很好的效果,具备通用性,并且在大规模量子可逆逻辑电路的合成中也具有较大的应用潜力。