CCN
Abkürzung für Controlled-Controlled NOT Gate (logisches Gatter).
CCN: ein Gatter, das ein Signal invertiert und ein anderes durchlässt
Ein CCN-Gatter (Controlled-Controlled Not Gate) ist ein logisches Gatter mit drei Eingängen, das eine bedingte Inversion durchführt. Es hat zwei Steuereingänge und einen Dateneingang. Wenn beide Steuereingänge High sind (logisch 1), invertiert das Gatter den Dateneingang; ansonsten wird der Dateneingang unverändert durchgelassen. Dies macht es zu einem grundlegenden Baustein in reversible Computing und Quantenschaltkreis-Design, wo die Erhaltung der Informationsentropie entscheidend ist.
Das Gatter ist in der Quantencomputing-Literatur auch unter dem Namen Toffoli-Gatter oder CCNOT-Gatter bekannt. In der klassischen digitalen Logik erscheint es in Multiplexer-Designs und bedingten Logikschaltungen. Die Wahrheitstabelle zeigt, dass das Gatter das Ausgangsbit nur dann kippt, wenn beide Steuerleitungen aktiviert sind, was zu einem vorhersehbaren, deterministischen Verhalten führt, das für Schaltungen notwendig ist, die Eins-zu-eins-Eingabe-Ausgabe-Beziehungen bewahren müssen.
In reversible Logic, wo jede Operation theoretisch invertierbar sein muss, ist das CCN-Gatter wertvoll, weil es die Anzahl der Einsen im Eingabevektor bewahrt. Diese Eigenschaft ist in der Niedrigleistungselektronik und fehlertoleranten Rechnung wichtig. Entwickler verwenden CCN-Gatter zum Aufbau von reversiblen Addierern, Multipliziereern und anderen arithmetischen Schaltungen, die weniger Wärmeverlust erzeugen als irreversible Äquivalente, da während der Berechnung keine Informationen verworfen werden.
Die Implementierung variiert je nach Plattform. In CMOS-Digitallogik benötigt ein CCN-Gatter mehr Transistoren als ein einfaches NAND- oder NOR-Gatter, typischerweise sechs bis acht Transistoren pro Stufe. In Quantencomputern ist das Toffoli-Gatter eine native Zwei-Qubit-Operation auf einigen Plattformen (wie supraleitenden Qubits) oder muss auf anderen in einfachere Gatter zerlegt werden. Simulationswerkzeuge wie Qiskit und Cirq stellen CCN-Gatter als Drei-Qubit-Operationen in Schaltplan-Diagrammen dar.
Das Gatter wird in Schaltungen praktisch verwendet, wenn Logik benötigt wird, die bedingt funktioniert, ohne irreversible Operationen zu erzeugen. Kryptographische Designs, Fehlerkorrekturverfahren und Quantenalgorithmus-Implementierungen verlassen sich alle auf das CCN-Verhalten. Der Name spiegelt seine logische Struktur wider: zwei Steuereingänge bestimmen, ob die NOT-Operation auf dem dritten Eingang ausgeführt wird.