可逆磁通量子逻辑：拓扑粒子实现沿一维路径的弹道门

数字计算目前使用不可逆逻辑门，其能量耗散受到根本限制。可逆逻辑门可提供一种高能效替代方案，因为它们可以利用无耗散的可逆过程运行，例如涉及弹性粒子的散射过程。所提出的逻辑使用长约瑟夫森结（LJJs）中的拓扑孤子——磁通量子（fluxons）——作为逻辑门的输入与输出。使用 LJJ 进行连接的优点在于它们将散射限制在一维路径上，这与先前基于二维散射的弹道逻辑形成对比。此外，我们通过模拟发现，在设计的无源电路门之间的 LJJ 中磁通量子散射几乎无能量损失。为切换比特状态，磁通量子在操作中改变极性——输入 LJJ 中的磁通量子自由传播进入门电路，激发非线性振荡界面模式，并快速确定性地散射到输出 LJJ 中成为磁通量子或反磁通量子。数值模拟的孤子动力学显示，门操作后超过 $97\%$ 的总能量作为磁通量子能量被保留。这些现象进一步用集体坐标拟设分析，将多自由度动力学简化为两个坐标，它们刻画输入与输出 LJJ 中的磁通量子与反磁通量子型激发。简化模型的解准确描述了在单比特门电路模拟中发现的四种可能的能量守恒散射过程（具有两个散射方向与两个输出极性）。计算得到的参数容差表明这些门可以被制造和测试。给出了单比特门以及一个基本双比特门的结果。