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计算机科学 > 新兴技术

arXiv:2508.00295v1 (cs)
[提交于 2025年8月1日 ]

标题: 用量子增强的约瑟夫森结FET重新构想电压控制的低温布尔逻辑范式

标题: Reimagining Voltage-Controlled Cryogenic Boolean Logic Paradigm with Quantum-Enhanced Josephson Junction FETs

Authors:Md Mazharul Islam, Diego Ferrer, Shamiul Alam, Juan P. Mendez, Denis Mamaluy, Wei Pan, Ahmedullah Aziz
摘要: 随着对超低功耗计算的需求不断增长以及量子技术的出现,人们对低温电子学的兴趣日益增强,特别是超导器件。尽管它们具有前景,但目前受控的超导元件在级联性方面面临根本性的挑战,限制了它们在复杂逻辑架构中的有效性。为克服这一问题,最近的努力集中在开发门控可调的超导器件,例如约瑟夫森结场效应晶体管(JJFET)。然而,实现稳健的控制和足够的超电流增益,这对于逻辑电路中的晶体管类似性能至关重要,仍然是一个关键挑战。基于InAs和GaSb异质结构的JJFET设计最近取得了进展,展示了增强的增益和适合电路集成的有利器件特性。在此创新的基础上,我们提出了并分析了使用量子增强JJFET的基本电压控制逻辑拓扑。我们开发了一个基于Verilog A的电路兼容紧凑模型,该模型准确捕捉了实验观察到的器件特性。为了确保级联性,我们的逻辑电路集成了多层加热纳米cryotron(nTron),这是一种基于超导纳米线的热开关。通过基于仿真的分析,我们展示了基本逻辑门的成功实现,包括NOT、NAND和NOR。此外,我们设计了一个3输入多数门,由于其通用性,在量子和可逆计算中起着关键作用。最后,为了展示我们提出的逻辑拓扑的级联性,我们展示了基于我们设计的JJFET的NOT、NAND和NOR门的2输入异或门的操作。
摘要: The growing demand for ultra low power computing and the emergence of quantum technologies have intensified interest in cryogenic electronics, particularly superconducting devices.Despite their promise, current controlled superconducting components face fundamental challenges in cascadability, limiting their effectiveness in complex logic architectures.To overcome this, recent efforts have focused on developing gate tunable superconducting devices, such as Josephson Junction Field Effect Transistors (JJFETs).However, achieving robust control and sufficient supercurrent gain, both critical for transistor-like performance in logic circuits remains a key challenge.A recent advancement in JJFET design, based on InAs and GaSb heterostructures, demonstrates enhanced gain and favorable device characteristics suitable for circuit integration.Building on this innovation, we propose and analyze fundamental voltage controlled logic topologies using the quantum enhanced JJFET. We develop a Verilog A based circuit compatible compact model of the quantum enhanced JJFET which accurately captures the experimentally observed device characteristics.To ensure cascadability, our logic circuits incorporate the multilayered Heater Nanocryotron (nTron), a superconducting nanowire-based thermal switch.Through simulation based analysis, we demonstrate the successful implementation of fundamental logic gates, including NOT, NAND, and NOR. Furthermore, we design a 3 input majority gate, which plays a pivotal role in quantum and reversible computing due to its universality.Finally, to demonstrate the cascadability of our proposed logic topology, we demonstrate the operation of a 2 input XOR gate based on our designed JJFET based NOT, NAND, and NOR gate.
主题: 新兴技术 (cs.ET) ; 硬件架构 (cs.AR); 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2508.00295 [cs.ET]
  (或者 arXiv:2508.00295v1 [cs.ET] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.00295
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Md Mazharul Islam [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 1 日 03:37:48 UTC (830 KB)
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