Kvanttipistesoluautomaattien mallintaminen polkuintegraali-Monte Carlo -menetelmällä

Abstract

Kvanttipistesoluautomaatti (QCA) mahdollistaa uuden mikropiiritekniikan, jossa digitaalinen signaalinkäsittely pohjautuu kvanttipisteiden elektronimiehityksiin. QCA:ta on ehdotettu erääksi keinoksi kiertää niitä rajoja, joita nykyinen transistoritekniikka asettaa prosessorien suorituskyvylle. QCA:ta on kuitenkin tutkittu pääasiassa laskennallisilla simulaatioilla, sillä kokeelliset prototyypit ovat vielä rajoittuneita. Tässä kandidaatintyössä esitellään kvanttipistesoluautomaatin toimintaperiaate ja sillä rakennettavat yksinkertaiset loogiset portit. Työssä myös simuloidaan alkeellisia QCA-rakenteita, ja niiden toimintavarmuus määritellään signaalinvälityskyvyn perusteella. Simulaatiot suoritetaan polkuintegraali-Monte Carlo -menetelmällä (PIMC), jota verrataan yksinkertaiseen klassiseen miehitysmalliin. PIMC-menetelmän ja miehitysmallin tuottamat tulokset ovat melko yhtenevät, mikä viittaa siihen, että QCA:n toimintavarmuus on klassisesti approksimoitavissa. QCA-rakenteet saadaan toimimaan verrattain korkeissa lämpötiloissa, kun solun mitat asetetaan riittävän pieniksi. Tämän työn simulaatioissa solun koko on 2 nm ja kvanttipisteen säde 0.5 nm. Kuitenkin havaitaan, että lämpötila T = 300 K on liian korkea täyden toimintavarmuuden saavuttamiseksi, sillä jokainen solu--solu kytkentä heikentää signaalia. NOT-portti havaitaan erityisen herkäksi termisen kohinan aiheuttamille häiriöille. Sekä AND- että OR-portti ilmentävät signaalien yhdistämisen keskeisen haasteen, joka esiintyy syötteiden ollessa eri vahvuisia.

Quantum-dot cellular automata (QCA) present a new technology for integrated circuits, in which the digital signal is processed by electron occupation of quantum dots. QCA is proposed as a means to overcome performance limitations that current transistor technology sets for processors. QCA is studied mostly by using computational simulations, as experimental prototypes are yet limited. This bachelor's thesis introduces the concept of QCA and a few logic gates that can be built. Simulations are carried out on simple QCA structures and their reliability is determined by signal transmission capability. Simulations are performed with path integral Monte Carlo (PIMC) method, which is compared to a simple classical electron occupation model. The PIMC method and the classical model yield almost similar results, which indicates that the reliability of QCA can be roughly estimated with classical methods. The simulation setup has a cell size 2 nm and a quantum-dot radius 0.5 nm. Because the sizes are chosen relatively small, the QCA structures are able to work in higher temperatures. However, temperature T = 300 K is found to be too high for achieving full reliability, because the signal strength decreases between two adjacent cells. The logical NOT gate is found particularly prone to errors caused by thermal noise. Logical AND and OR gates illustrate a common challenge, which arises when two signals with different strengths are combined.