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）是一种使用超导装置的数码产品，也称约瑟夫森结, 用来处理数码信号。在RSFQ逻辑中，资讯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（英语：Superconducting logic）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电脑技术。

RSFQ与普通电脑使用的CMOS 晶体管技术有很大差异：

超导装置需要低温。
约瑟夫森结产生的皮秒级SFQ电压脉冲被用于编码、处理和传输数字资讯，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（英语：Power consumption）：比CMOS电路低大约10万倍（不考虑冷却）
现有晶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（英语：Self clocking），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（英语：Pulse tube refrigerator）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的数码技术在温度高于~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装置
数码信号处理，达到X波段及以上的信号
超高速路由器
软件无线电（SDR）
高速模拟数码转换器
高性能低温电脑^[1]^[2]
超导量子位元和量子电路的控制电路

参见

超导逻辑（英语：Superconducting logic），包含比RSFQ能源效率更佳的新逻辑系列。
量子通量参量（英语：Quantum flux parametron），相关的数字逻辑技术。

参考资料

^ Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge. High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001). Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. April 2001 [2017-11-02]. （原始内容存档于2014-09-04）.
^ Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev, and Dmitry Zinoviev. "RSFQ subsystem for HTMT petaFLOPS computing." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

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））. ^{[永久失效链接]}

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

[1] Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge. High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001). Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. April 2001 [2017-11-02]. （原始内容存档于2014-09-04）.

[2] Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev, and Dmitry Zinoviev. "RSFQ subsystem for HTMT petaFLOPS computing." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

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