多值量子-DNA与DNA-量子存储设备解析

# 多值量子 - DNA 与 DNA - 量子存储设备解析 ## 1. 多值量子 - DNA 缓存存储器 ### 1.1 设计概述 多值量子 - DNA 缓存存储器的设计涵盖了量子和 DNA 逻辑门，以及用于量子 - DNA 9 对 1 缓存存储器的解码器。DNA 计算机和量子计算机在处理能力和存储方面都有潜力对传统数字计算机产生重大影响。量子计算机因其状态的相干叠加，比传统图灵机计算能力更强；生物技术可用于发展 DNA 计算机。将 DNA 计算和量子计算相结合，有望充分发挥两者的优势。基于化学反应的新型逻辑门设计中，双链序列的观测可用于真值评估。因此，量子到 DNA 以及反之的多值缓存存储器集成计算系统是本节的重点。 ### 1.2 总体组织 量子 - DNA 9 对 1 缓存存储器的框图包含三个基本组件：解码器、量子比特随机存取存储器（Qubit RAM）单元和“或”操作。要实现量子 - DNA 9 对 1 缓存存储器，需要以下操作： 1. 量子 2 对 9 解码器 2. 量子比特随机存取存储器单元 3. 量子缓存存储器 4. 核磁共振（NMR）弛豫 5. 热传递电路 6. 对应最小项的 DNA “或”操作 ### 1.3 电路架构 电路架构图展示了多值量子 - DNA 缓存存储器的具体结构。 ### 1.4 工作原理 该量子缓存存储器由 9 个独立的“字”组成，每个字宽为 1 个序列。量子缓存存储器单元有三个输入和一个输出。一个字由两个量子缓存存储器单元组成，这样可以同时访问两个序列。9 个字的存储需要两条地址线 A 和 B。这两条地址线输入经过 2 对 9 解码器，选择 9 个字中的一个。存储器使能输入用于启用解码器。 - 若存储器使能为 TGGATC，解码器的所有输出都将是 TGGATC，此时不会选择任何存储地址。 - 当存储器使能为 ACCTAG 时，将选择 4 个字中的一个，具体由两条地址线的值决定。 当选择一个字后，读写输入决定操作类型： - 读操作时，所选字的 4 个序列通过量子“或”门传输到输出 Z1 端子。 - 写操作时，输入线中的数据将传输到所选字的 4 个量子单元中。未被选择的量子缓存存储器单元将被禁用，其先前的序列不会改变。若通过解码器的存储器使能输入等于 TGGATC，则不会选择任何字，所有量子单元保持不变，无论读写输入的值如何。 ## 2. 缓存存储器相关补充知识 软件可以对计算机的部分缓存存储器进行“分区”，使其充当更快的硬盘，即缓存存储器磁盘。除非安排了备用电池电源，否则计算机关机时，缓存存储器磁盘会丢失存储的数据。大多数现代操作系统采用“虚拟内存”方法来扩展缓存存储器容量。计算机硬盘的一部分被预留用于分页文件或临时分区，物理缓存存储器和分页文件的组合构成了系统的总内存。例如，若计算机有 2GB 缓存存储器和 1GB 分页文件，操作系统将有 3GB 的总内存可用。当系统物理内存不足时，可将部分缓存存储器“交换”到分页文件中，为新数据腾出空间，也可将先前交换的信息读回缓存存储器。但过度使用此机制会导致系统抖动，通常会影响整体系统性能，主要是因为硬盘比缓存存储器慢得多。 ## 3. 多值 DNA - 量子存储设备 ### 3.1 引言 DNA 计算是近年来备受关注的新兴技术领域，多值 DNA - 量子计算是将 DNA 计算和量子计算相结合的前沿科学话题。目前，构建多值 DNA - 量子计算机极具挑战性。本章旨在开发多值 DNA - 量子存储设备，需要使用多值 DNA - 量子系统的基本多值量子和 DNA 操作门（与、或、非）来实现电路功能。这种技术的结合属于量子分子生物学范畴，之前讨论了量子 - DNA 计算的多值存储设备，本章将重点介绍多值 DNA - 量子存储设备，包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）和缓存存储器。 ### 3.2 多值 DNA - 量子随机存取存储器 #### 3.2.1 概述 多值 DNA - 量子随机存取存储器与量子 - DNA 随机存取存储器相反，其第一部分是 DNA 操作，最后部分是量子操作，与多值量子 - DNA 随机存取存储器互补。 #### 3.2.2 总体组织 DNA - 量子 9 对 1 随机存取存储器的框图由 9 个独立的“字”组成，每个字宽为 1 个序列。 #### 3.2.3 电路架构 多值 DNA - 量子 9 对 1 随机存取存储器的电路架构需要一个 DNA 2 对 9 三进制解码器，该解码器通过两个 DNA 多值 1 对 3 量子解码器设计而成，以获得 9 个 DNA 三进制随机存取存储器单元操作的输出。最终，多值 9 三进制随机存取存储器单元执行从 Q0 到 Q8 的序列单元输出序列，并通过核磁共振进行进一步的最小项三进制“或”操作，以产生所需的量子比特输出。 #### 3.2.4 工作原理 该 DNA - 量子随机存取存储器由 9 个独立的“字”组成，每个字宽为 1 个序列。DNA 随机存取存储器单元有三个输入和一个输出。一个字由两个 DNA 随机存取存储器单元组成，可同时访问两个序列。4 个字的存储需要两条地址线 A 和 B。这两条地址线输入经过 DNA 2 对 9 解码器，选择 4 个字中的一个。存储器使能输入用于启用解码器。 - 若存储器使能为 TGGATC，解码器的所有输出都将是 TGGATC，此时不会选择任何存储地址。 - 当存储器使能为 ACCTAG 时，将选择 4 个字中的一个，具体由两条地址线的值决定。 当选择一个字后，读写输入决定操作类型： - 读操作时，所选字的 4 个序列通过量子“或”操作传输到输出 |Z1> 端子。 - 写操作时，输入线中的数据将传输到所选字的 9 个 DNA 单元中。未被选择的 DNA 随机存取存储器单元将被禁用，其先前的序列不会改变。若通过解码器的存储器使能输入等于 TGGATC，则不会选择任何字，所有 DNA 单元保持不变，无论读写输入的值如何。 ### 3.3 多值 DNA - 量子只读存储器 #### 3.3.1 概述 在多值 DNA 计算操作中，输入序列 A 和 B 存储在多值 DNA 缓存存储器中，并转换为量子比特，在多值量子计算操作中形成输出 |F1> 和 |F2>。多值只读存储器由两个基本组件组成：多值解