快速單通量量子

在電子學領域中，快速單通量量子（rapid single flux quantum，縮寫RSFQ；也稱快單磁通量子）是一種使用超導設備的數字產品，也稱約瑟夫森結, 用來處理數位訊號。在RSFQ邏輯中，信息以磁通量量子的形式存儲，並以單通量量子（Single Flux Quantum，縮寫SFQ）電壓脈衝的形式傳遞。

基本介紹

• 中文名：快速單通量量子
• 外文名：rapid single flux quantum
• 簡稱：RSFQ
• 別稱：快單磁通量子

簡介

快速單通量量子（RSFQ）是一種使用超導設備的數字產品，也稱約瑟夫森結，用來處理數位訊號。在RSFQ邏輯中，信息以磁通量量子的形式存儲，並以單通量量子（Single Flux Quantum，SFQ）電壓脈衝的形式傳遞。RSFQ是超導或SFQ邏輯的一個家族，其他家族包括Reciprocal Quantum Logic (RQL)、ERSFQ——不使用偏置電阻等組件的節能RSFQ版本。約瑟夫效應是RSFQ電子的有源組件，就像電晶體是半導體電子中的有源組件一樣。RSFQ是一種經典數學而非量子計算機技術。

RSFQ與一般計算機使用的CMOS電晶體技術有很大差異：

（1）超導設備需要低溫；

（2）約瑟夫森結產生的皮秒級SFQ電壓脈衝被用於編碼、處理和傳輸數字信息，這代替半導體電子器件中電晶體產生的電壓電平；

（3）SFQ電壓脈衝在超導傳輸線上的進程非常小，並且如果脈衝的頻譜分量不超過超導體能隙的頻率，通常可以忽略不計；

（4）在1ps的SFQ脈衝情況下，電路計時可能達到100 GHz頻率（每10皮秒一次脈衝）。

優點

（1）可以與CMOS電路、微波和紅外線技術互操作；

（2）極快工作頻率：從幾十千兆赫到高達數百千兆赫；

（3）低功耗：比CMOS電路低大約10萬倍（不考慮冷卻）；

（4）現有晶片製造技術可適用於製造RSFQ電路；

（5）良好的製造變化耐受性；

（6）RSFQ電路本質上是自我計時，這使異步設計更實用。

缺點

（1）需要低溫冷卻。傳統上這已通過低溫液體實現，諸如液氮和液氦。最近來說，如脈管制冷機等封閉式循環制冷機已納入考慮，它們能避免使用昂貴且需要定期再填充的低溫液體。低溫冷卻還有一個優點是降低了工作環境的熱噪聲；

（2）通過使用高溫超導體，冷卻的要求可得到放寬。但迄今為止，使用高溫超導體僅實現了非常低複雜度的RFSQ電路。據信基於SFQ的數位技術在溫度高於20 K - 25 K時變得不切實際，參數 因溫度T的增加導致的減小會導致誤碼率（熱誘髮結切換）呈指數增長 ，其中是約瑟夫森能量；

（3）靜態功耗通常比執行邏輯操作所需的動態功耗大10-100倍，這是其一個缺點。不過，在ERSFQ版本的RSFQ中，通過使用超導電感器和約瑟夫森結而非偏置電阻（靜態功耗來源）則完全消除了靜態功耗；

（4）由於RSFQ是一種顛覆性技術，專門的教育程度和商業軟體仍有待開發。

套用

（1）光通信或其他高速網路交換設備

（2）數位訊號處理，達到X波段及以上的信號；

（3）超高速路由器；

（4）軟體無線電（SDR）；

（5）高速類比數字轉換器；

（6）高性能低溫計算機；

（7）超導量子比特和量子電路的控制電路。