快速单通量量子

在电子学领域中，快速单通量量子（英语：rapid single flux quantum，缩写RSFQ；也称快单磁通量子）是一种使用超导设备的数字产品，也称约瑟夫森结, 用来处理数字信号。在RSFQ逻辑中，信息以磁通量量子的形式存储，并以单通量量子（Single Flux Quantum，缩写SFQ）电压脉冲的形式传递。RSFQ是超导或SFQ逻辑的一个家族。其他家族包括Reciprocal Quantum Logic (RQL)、ERSFQ——不使用偏置电阻等组件的节能RSFQ版本。约瑟夫效应是RSFQ电子的有源组件，就像晶体管是半导体电子中的有源组件一样。RSFQ是一种经典数学而非量子计算机技术。

RSFQ与普通计算机使用的CMOS晶体管技术有很大差异：

• 超导设备需要低温。
• 约瑟夫森结产生的皮秒级SFQ电压脉冲被用于编码、处理和传输数字信息，这代替半导体电子器件中晶体管产生的电压电平。
• SFQ电压脉冲在超导传输线上的行程非常小，并且如果脉冲的频谱分量不超过超导体能隙的频率，通常可以忽略不计。
• 在1 ps的SFQ脉冲情况下，电路计时可能达到100 GHz频率（每10皮秒一次脉冲）。

优点

• 可以与CMOS电路、微波和红外线技术互操作
• 极快工作频率：从几十千兆赫到高达数百千兆赫
• 低功耗：比CMOS电路低大约10万倍（不考虑冷却）
• 现有芯片制造技术可适用于制造RSFQ电路
• 良好的制造变化耐受性
• RSFQ电路本质上是自我计时，这使异步设计更实用。

缺点

• 需要低温冷却。传统上这已通过低温液体实现，诸如液氮和液氦。最近来说，如脉管制冷机等封闭式循环制冷机已纳入考虑，它们能避免使用昂贵且需要定期再填充的低温液体。低温冷却还有一个优点是降低了工作环境的热噪声。
• 通过使用高温超导体，冷却的要求可得到放宽。但迄今为止，使用高温超导体仅实现了非常低复杂度的RFSQ电路。据信基于SFQ的数字技术在温度高于~20 K - 25 K时变得不切实际，参数E_J/k_BT因温度T的增加导致的减小会导致误码率（热诱发结切换）呈指数增长 ，其中 E_J = I_cΦ₀/2π 是约瑟夫森能量。
• 静态功耗通常比执行逻辑操作所需的动态功耗大10-100倍，这是其一个缺点。不过，在ERSFQ版本的RSFQ中，通过使用超导电感器和约瑟夫森结而非偏置电阻（静态功耗来源）则完全消除了静态功耗。
• 由于RSFQ是一种颠覆性技术，专门的教育程度和商业软件仍有待开发。

应用

• 光通信或其他高速网络交换设备
• 数字信号处理，达到X波段及以上的信号
• 超高速路由器
• 软件无线电（SDR）
• 高速模拟数字转换器
• 高性能低温计算机
• 超导量子比特和量子电路的控制电路

参见

• 超导逻辑，包含比RSFQ能源效率更佳的新逻辑系列。
• 量子通量参量，相关的数字逻辑技术。

拓展阅读

• Superconducting Technology Assessment （页面存档备份，存于互联网档案馆）, study of RSFQ for computing applications, by the NSA (2005).
• 超导RSFQ计算机. 中国计算机学会通讯. 2016, (3) [2017-11-02] （中文（中国大陆））. 

外部链接

• An introduction to the basics and links to further information at the State University of New York at Stony Brook.
• K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• A. H. Worsham, J. X. Przybysz, J. Kang, and D. L. Miller, "A single flux quantum cross-bar switch and demultiplexer," IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 5, pp. 2996–2999, June 1995.
• Feasibility Study of RSFQ-based Self-Routing Nonblocking Digital Switches (1996) （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Design Issues in Ultra-Fast Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Based on RSFQ Logic/Memory Family (1997) （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• A Clock Distribution Scheme for Large RSFQ Circuits (1995) （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Josephson Junction Digital Circuits – Challenges and Opportunities (Feldman 1998) （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Superconductor ICs: the 100-GHz second generation （页面存档备份，存于互联网档案馆） // IEEE Spectrum, 2000