آتوماتای کوانتومی سلولی نقطه‌ای

مدارهایی که تحت تکنولوژی CMOS ساخته می‌شوند تفاوت بسیار چشمگیری در مساحت و میزان توان مصرفی نسبت به مدارهای تحت تکنولوژی QCA دارند. بدین معنی که نسبت به مدارهای QCA مساحت بسیار زیادی اشغال می‌کنند و توان مصرفیشان بسیار بسیار بیشتر است. این گونه‌است که QCA با این خصوصیات منحصربه‌فرد تحول بزرگی در حوزه علم کامپیوتر و مدارهای منطقی به حساب می‌آید. QCA نسبت به CMOS بسیار کوچکتر است حتی ابعاد سلول QCA در حد مولکول یا اتم قابل پیاده‌سازی است. QCA مصرف توان بسیار بسیار پایینی نسبت به CMOS دارد چون نه تنها جریانی در مدار وجود ندارد خازن خروجی هم در مدار نخواهد بود. در بعضی پیاده‌سازی‌های QCA تعامل‌ها مغناطیسی انجام می‌شود و تنها در همین موارد کندتر از CMOS عمل خواهد کرد. با توجه به کندی مدارهای QCA در بعضی پیاده‌سازی‌ها و انتشار منطق از هر دو سمت سیم و گیت‌ها نیاز شدید به clock در آن‌ها احساس می‌شود. QCA ساختارهای ساده ای برای طراحی گیت‌های AND و OR دارد. و توانایی عبور سیم‌ها از روی هم نیز از مزیت‌های این تکنولوژی است. معکوس (Invert) کردن نیز به راحتی با تغییر طول سیم‌ها امکان‌پذیر است. از دیگر معایب QCA کار کردن در دمای زیر ۷۰ درجه کلوین است. Delay بالا و انتشار منطق در دو طرف سیم نیز برای انتخاب این تکنولوژی عامل باز دانده خواهد بود. تحقیقات تخمین می‌زند که فرکانس کاری QCA در محدوده فرکانسی تراهرتز (امواج تراهرتز) خواهد بود ولی در عمل فرکانسی کمتر مشاهده خواهد شد.

در مدارهای QCA, Clock در مقایسه با مدارهای سنتی مانند عاملی الکترونیکی است که حرکت اکترونها در داخل سلول را کنترل می‌کند. در واقع نحوه کنترل آن به این صورت است که اگر اطلاعاتی به قسمتی از مدار برسد که باید با چند ورودی دیگر ترکیب شده و خروجی مطلوب را تولید کند، در صورتی که ورودی‌های دیگر دیرتر به آن قسمت مدار برسند، از انتشار اطلاعات در آن قسمت تا رسیدن ورودی‌های دیگر جلوگیری می-کند. بدین ترتیب در واقع وجود Clock باعث ایجاد همزمانی در بخش‌های مختلف مدار می‌شود. هر Clock چهار فاز دارد: Switch: این فاز نیروهای مانع حرکت الکترون‌ها در داخل هر سلول شروع به افزایش می‌کند و حرکت الکترونها آرام آرام رو به سختی می‌گراید. Hold: در این فاز نیروهای مانع حرکت الکترون‌ها در داخل سلول به حد بیشینه خود رسیده و مکان الکترونها ثابت باقی می‌ماند. Release:در این فاز مقدار نیروی مانع شونده رو به کاهش می‌گذارد و آرام آرام الکترون‌ها آزاد می‌شوند. Relax: در این فاز سلول هیچ قطبیتی ندارد و الکترون‌ها کاملاً آزادانه در داخل سلول حرکت می‌کنند.

ساخت مدارهای QCA به‌طور کلی به ۴ دسته تقسیم می‌شود: جزیره فلزی، مولکولی، نیمه‌هادی و مغناطیسی

• جزیره فلزی

اولین تکنولوژی پیاده‌سازی QCA برای عملی کردن آن به عنوان یک موضوع تئوری بود. و به دلیل خواص ساختاریش هیچ‌گاه قصد وتوانایی رقابت با تکنولوژی‌های جدید QCA را نداشته‌است. این روش به صورت ایجاد سلول‌ها توسط جزایر آلومینیومی است. آزمایش‌های اولیه جزایری با ابعاد میکرو متر داشتند. و به خاطر ابعاد نسبتاً بزرگ جزایر آلومینیومی دمای کاری بسیار پایینی نیاز داشتند تا خواص کوانتومی بروز کند و جابجایی الکترونی قابل مشاهده باشد.

• نیمه‌هادی

QCA نیمه هادی یا حالت جامد از توانایی پیاده‌سازی با ابزارهای موجود ساخت و تولید قطعات CMOS را دارد. اما هنوز تکنولوژی نیمه هادی برای تولید انبوه در ابعاد ۲۰ نانومتر موجود نیست. روشهای لیتوگرافی سریال Solid State QCA را قابل دستیابی کرده ولی هنوز به عمل نرسیده‌است. لیتوگرافی سریال کند، از مشکلات این روش، هزینه بر و نامناسب بودن برای تولید انبوه این سلول هاست. با این حال امروزه برای بیشتر پیاده‌سازی‌های آزمایشی از این روش استفاده می‌کنند.

• مولکولی

یک روش پیشنهادی که هنوز به عمل نرسیده ساختن هر سلول QCA توسط یک مولکول واحد است. مزایای این روش تقارن بینهایت بالای سلول، سرعت بالای سوییچ‌زنی، فشردگی بالای قطعات و ابعاد کوچک، عملی در دمای اتاق و حتی قابلیت تولید انبوه با استفاده از خاصیت خود تولیدی (Self Assembly) مولکول هاست. مسائل تکنیکی مانند انتخاب مولکول مناسب، طراحی رابط بین محیط و مدار برای ورودی و خروجی (interfacing) و تکنولوژی کلاک مورد نیاز در مورد این روش در حال تحقیق است و تولید QCA با این روش به حل آن‌ها بتگی دارد.

• مغناطیسی

QCA مغناطیسی (MQCA) بر پایهٔ ارتباط‌های مغناطیسی بین ذرات نانو استوار است. Qumantum در این روش معنای خود را تقریباً از دست می‌دهد. این روش در دمای اتاق قابل اجرا خواهد بود.

• تکنولوژی اتوماتای سلولی کوانتومی