[发明专利]一种Toffoli门电路及其操作方法

说明书

本发明公开了一种Toffoli门电路及其操作方法，其中Toffoli门电路包括控制位忆阻器、操作位忆阻器、控制器，其中控制位忆阻器和操作位忆阻器的正极共同连接在一条阵列字线上，负极分别连接在不同的阵列位线上。利用忆阻器在不同操作电压下具有多阻态的特点，通过分别在控制位忆阻器和操作位忆阻器所在的字线和位线上输入不同的控制信号来控制忆阻器两端输入的电压从而改变忆阻器的状态，进而分别存储控制位信息和操作位信息。本发明仅采用两个忆阻器即可实现Toffoli可逆逻辑功能，电路复杂度较低，电路所占面积也较小。同时由于忆阻器具有非易失的特点，在逻辑功能完成后，逻辑输出直接存储在忆阻器中，无需额外的数据传输与存储，故延时及功耗较低。

技术领域

本发明属于数字电路领域，更具体地，涉及一种Toffoli门电路及其操作方法。

背景技术

自1960年代，人们开始研究可逆逻辑门，初衷是减少计算过程的能量耗散，因为原则上可逆逻辑门在计算过程中不产生热量。对于一般逻辑门，输入状态会在运算后丢失，这导致输出的信息少于输入信息。根据熵原理，信息的损失以热的形式耗散到环境中。而可逆逻辑门只将信息状态从输入搬移到输出，不会损失信息。

Toffoli门是一种具有三个输入和三个输出的可逆逻辑门，又称为“控-控-非门”。它的特点是：如果前两位置1，将倒置第三位，否则所有位保持不变。在计算机科学中，该电路最早由Tommaso Toffoli提出，是一种通用可逆逻辑门。由于任意可逆逻辑电路都可由Toffoli门构造得到，故研究Toffoli门及其操作方法具有重要的意义。

目前利用CMOS技术实现Toffoli门电路需要一个AND逻辑门和一个XOR逻辑门，共计12颗晶体管搭建而成。由于晶体管尺寸微缩技术即将达到瓶颈，算上布线，整个电路会消耗较大的面积；同时，晶体管电路中的信息以电压的形式进行计算，需要消耗额外的延时和功耗来存储输出信息。

因此，提供一种面积小、低延时和低功耗的Toffoli门电路及其操作方法是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种Toffoli门电路及其操作方法，旨在解决现有CMOS技术中由于所需门电路采用多个晶体管组成而导致的电路面积较大的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种Toffoli门电路，包括控制位忆阻器、操作位忆阻器、控制器；其中，控制位忆阻器和操作位忆阻器的正极共同连接在一条阵列字线上，控制位忆阻器和操作位忆阻器的负极分别连接在不同的阵列位线上；

控制位忆阻器用于根据控制器输入的电压改变自身阻值状态的来存储二位控制位信息；

操作位忆阻器用于根据控制器输入的电压改变自身阻值状态从而存储一位操作位信息。

控制器用于根据Toffoli门电路的逻辑运算规则分别控制控制位忆阻器和操作位忆阻器所在字线和位线上的电压。

进一步优选地，控制位忆阻器包括第一状态、第二状态、第三状态、第四状态，分别用于表示二位控制位信息“00”、“01”、“10”、“11”；控制位忆阻器的第一状态和第四状态分别对应控制位忆阻器的最高阻态和最低阻态；控制位忆阻器的第二状态和第三状态均为所述控制位忆阻器的中间阻态。通过在控制位忆阻器的正负极之间施加不同的操作电压可以使四种状态之间相互转换。

进一步优选地，操作位忆阻器包括第一状态和第四状态，分别用于表示一位操作位信息“0”和“1”，操作位忆阻器的第一状态和第四状态分别对应操作位忆阻器的最高阻态和最低阻态。通过在操作位忆阻器的正负极之间施加不同的操作电压可以使两种状态之间相互转换。

本发明另一方面提供了一种Toffoli门电路操作方法，包括以下步骤：

S1、将三位输入信息分为二位控制位信息和一位操作位信息；