DE3017463C2

DE3017463C2 - Logische Schaltungsanordnung mit asymmetrischen Massenprodukt- bzw. Quantum-Interferenzschaltkreisen

Info

Publication number: DE3017463C2
Application number: DE3017463A
Authority: DE
Inventors: Akira Tokyo Ishida; Hajime Hoya Tokyo Yamada
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1979-07-25
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1982-08-05
Also published as: DE3017463A1; US4330841A; FR2462824B1; NL8002205A; FR2462824A1; CA1145820A; GB2061049A; GB2061049B

Description

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L₁Ij₁=L₂Ij₂ < Φ₀.

wobei Φ_ο eine Quantumflußeinheit ist, und zwar gleich 2 χ 10-¹⁵Wb (flux quantum unit).

Der Spannungszustand eines solchen symmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreises ist abhängig von dem durch den Steuerstrom Ic erzeugten Magnetfeld. Im einzelnen hat eine Ib - Ic Charakteristik eine Schwellenwertkurve, die symmetrisch in bezug auf die Achse des Basisstromes Ib ist wobei die Nullspannung in einem Bereich liegt der bestimmt ist durch den Schwellenwert von Ib und die Schwellenwertkurve,

WaufCHu Cmc cilixxlCiic opännüHg SüucTttäiu uicScS

Bereiches liegt Solch eine Grenzstromkurve ist jedoch in Richtung der horizontalen Achse entlang der der Steuerstrom /_c aufgetragen ist verbreitert wobei ihr Anstieg in den meisten Fällen 1 (eins) ist Ein Steuerstrom mit einer relativ großen Amplitude und damit einem großen Energiebetrag, ist erforderlich, um einen solchen Schaltkreis zwischen Null und endlichen Spannungswerten zu schalten.

Um eine Verstärkung des Anstieges der Grenzstromkurve, der sich mehr auf 1 zuneigt, zu erreichen, ist ein asymmetrischer Massepunkt-Interferenzstromkreis erforderlich, wie er in der Zeitschrift »Electronics Letters« vom 31. 3. 1977, VoL 13, No. 7 unter der Oberschrift »Asymmetrie 2-Josephson-junction Interferometer as a Logic Gate« von H. Beha beschrieben worden ist Mit solch einem Schaltkreis läßt sich der Wert des Grenzstromes und der asymmetrischen Induktanzen durch die folgenden Gleichungen wiedergeben:

Ij\ # Iß und L\ V L₂.

Diese bekannte Schaltung kennzeichnet sich jedoch durch einen nur schmalen Bereich des Basisstromes, der für die Schaltung zwischen Null und endlichen Spannungswerten verwendbar ist, so daß dieser Stromkreis nur einen begrenzten Betriebsbereich hat. Darüber hinaus ist es bei diesem Schaltkreis schwer, die Amplitude des Steuerstromes herabzusetzen, so daß diese praktisch unbrauchbar ist.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Schaltkreis der im Gattungsteil des Patentanspruchs 1 gekennzeichneten Art derart auszubilden, daß er für einen größeren Betriebsbereich Anwendung finden kann und zwischen Null und endlichen Spannungswerten unter Verwendung eines Steuerstromes mit kleiner Amplitude schalten kann.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der vorliegenden Aufgabenlösung wird ein Logikschaltkreis vorgeschlagen, der einen verbesserten asymmetrischen Quantum-Interferenzschaltkreis benutzt, wobei dieser für einen großen Betriebsbereich geeignet ist, und eine hochempfindliche Betätigung mit geringer Amplitude des Steuerstroms ermöglicht. Der asymmetrische Interferenzschaltkreis wird vorteilhaft in einem binären Additionskreis eingesetzt.

Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend an Hand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltdiagramm eines asymmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreises (asymmetrical quantum interferometrie circuit) nach der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung einer Basisstrom-Steuerstromkennlinie des Schaltkreises nach F i g. 1,

F i g. 3 eine graphische Darstellung einer Basisstrom-Steuerstromkennlinie eines herkömmlichen symmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreises,

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Erklärung der Charakteristik von F i g. 2,

F i g. 5 eine graphische Darstellung für eine Basisstrom-Steuerstromkennlinie eines herkömmlichen asymmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreises,

Fig.6 eine Draufsicht auf den Aufbau eines Schaltkreises gemäß Fig. i mii ieilweise in gebrochener Linienführung entfernten Teilen,

F i g. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie VII VIIinFig.6,

Fig.8 ein Schaltdiagramm eines Logikschaltkreises mit asymmetrischem Massepunkt-Interferenzschaltkreis nach der Erfindung,

Fi g. 9 eine Tabelle für die Zustände des Logikschaltkreises nach F i g. 8,

Fig. 10 ein Schaltdiagramm für ein Exklusiv-Odergatter mit einem asymmetrischen Interferenzschaltkreis nach der Erfindung,

Fig. 11 eine Tabelle für die Zustände des Logikschahkreises nach F i g. 10,

Fig. 12 einen Majoritätslogikschaltkreis mit asymmetrischer Interferenzschaltung nach der Erfindung,

Fi g. 13 eine Tabelle für die logischen Zustandswerte des Schaltkreises nach Fig. 12,

Fig. 14 eine Diagrammdarstellung eines binären Volladditionsschaltkreises mit asymmetrischen Interferenzschaltkreisen nach der Erfindung, ">

Fig. 15 Zeitdiagramme zur Darstellung der Betätigung des in F i g. 14 gezeigten Schaltkreises,

Fig. 16 eine Tabelle für die Wiedergabe der Logikzustände des Schaltkreises von Fig. 14,

Fig. 17 ein Schaltkreisdiagramm eines binären i<> Halbadditionsschaltkreises mit asymmetrischen Interferenzschaltkreisen nach der Erfindung, und

F i g. 18 eine Tabelle für die logischen Schaltzustände des Schaltkreises von F i g. 17.

Wie aus der Darstellung von F i g. 1 zu ersehen, ι ί besteht der asymmetrische Massenpunkt-Interferenzschaltkreis nach der Erfindung aus einem Schaltkreis Ki mit einer Josephson Verbindung JX, die einen Schwellenwertstrom Ij \ hat und die in Reihe mit einem Induktanzelement Ml liegt, das sich durch die Induktion L1 kennzeichnet, wobei letzteres seriengeschaltet mit dem Induktanzelement MX mit der Induktion L1 ist, und aus einem Schaltkreis K 2 mit einem Josephson Anschluß /2, der einen Schwellenwertstrom Iß besitzt, welcher größer als der Schwellenwertstrom Ιμ ist und in Reihe mit dem Induktanzelement M2 mit der Induktivität L 2 liegt. Die Schaltkreise Xl und K 2 liegen parallel zueinander und bilden zusammen den Schaltkreis Q. Die Schaltungsanordnung läßt sich mathematisch durch die folgenden Formeln darstellen:

Li ■ /,

Ll ■ Ij₂ <

LX

Ll

= a> 1,

wobei Φο eine Flußquantumeinheit gleich 2,07 χ If)-¹⁵ Wb ist und a eine reale Zahl. Der Schaltkreis Q ist to innerhalb einer Basisstromzuführung B angeordnet, und eine Ausgangsleitung F ist über ein Impedanzelement /?, wie etwa einem Widerstand, mit der Basisstromzuführung B verbunden, die zu einem Anschluß des Stromkreises Q führt Eine Steuerstromzuführung D ist an zwei reihegeschaltete Impedanzelemente M3 und MA in der ersichtlichen Weise angeschlossen und hierbei elektromagnetisch gekoppelt mit den Induktanzelementen M1 und M 2 in dem Schaltkreis Q. Unter der Voraussetzung, daß ein Basisstrom (Vorspannstrom) Ib so von einer Basisstromquelle über die Basisstromzuführung B eingespeist wird und hierbei in die Ströme Im und Im aufgeteilt wird, entsprechend dem Fluß durch die beiden !rr.pednr.ze!err;er;te AiI und M2 in dem Kreis Q ergibt sich die folgende Beziehung für die Basisstromaufteilung:

Ib2 = a - /si.

Die Induktanzelemente Ml bis M4 sind so miteinander verbunden, daß dann, wenn ein Steuerstrom Ic von einer Steuerstromquelle über die Steuerstromzuführung D eingespeist wird, in dem Induktanzelement Ml durch das Induktanzelement M 3 ein Strom induziert wird, der in der gleichen Richtung fließt, wie der im Induktanzelement M2 durch das es Induktanzelement MA induzierte Strom.

Mit solch einer Anordnung, also einer Kombination des Stromes /r der in die Basisstromzuführung B eingespeist wird, mit dem Strom la welcher der Steuerstromzuführung D zufließt, befähigt den Stromkreis (?, sich entweder in einem Nullspannungszustand oder in einem Zustand mit endlicher Spannung zu befinden.

Der Stromkreis Q besitzt hierbei eine Iß— /fCharakteristik mit einer Schwellenwertkurve A, wie in F i g. 2 gezeigt, wobei die Kurve durch Aufzeichnung der Schaltpunkte, bei welchem der Nullspannungszustand in einen Spannungszustand mit endlicher Spannung umschaltet erhalten wird, und zwar in Abhängigkeit von der Größe des Stromes Ib auf der Ordinate und des Stromes Ic auf der Abszisse in dem dargestellten kartesischen Koordinatensystem. Wenn die Werte für die Ströme h und I_c eine Koordinatenposition im Bereich einnehmen, der durch die Schwellenwertkurve A definiert ist, dann befindet sich der Schaltkreis Qm seinem Nullspannungszustand und wenn ihre Koordinatenstellung außerhalb dieses Bereiches liegt, dann ergibt sich für den Schaltkreis Q ein Spannungszustand mit einem endlichen Spannungswert.

Im einzelnen läßt sich sagen, daß unter der

Bedingung, daß—= a > 1 der Basisstrom Ib sich in den

Strom Im aufteilt, der durch den Schaltkreis K 1 fließt und in den Strom Im = a Im, welcher durch den Schaltkreis K 2 fließt.

Der Basisstrom, welcher in dem Schaltkreis K 2 fließt, ist a mal größer als der Basisstrom, der in dem Stromkreis K X fließt. Wenn der Strom Ibi und der Strom Ib\ kleiner als die Schwellenwertströme Iß und Iß ist, dann befindet sich der Schaltkreis Q in dem supraleitenden Zustand (superconducting state). Zu dieser Zeit wird der Steuerstrom /cüber die Einspeisung D in Richtung des in F i g. 1 gezeigten Pfeiles fließen (wobei von der Voraussetzung ausgegangen wird, daß der Steuerstrom in dieser Richtung positiv ist), was zur Erzeugung eines Magnetfeldes führt, welches von der Rückseite der Oberfläche der dargestellten Schaltung weg gerichtet ist Ein Abschirmstrom Is fließt über den Schaltkreis Q in seinem supraleitfähigen Zustand in Richtung des Pfeiles in F i g. 1 und gibt ein Magnetfeld in Richtung von der Oberfläche der Rückseite vor, welches das durch den Steuerstrom Ic erzeugte Magnetfeld aufhebt Der Abschirmstrom Is addiert sich zu dem Strom Ibi und hebt den Strom Im auf. Wenn die kombinierten Ströme Is + Im den Schwellenwertstrom Iß des Josephson Überganges /2 erreichen, dann schaltet dieser Übergang in einen normalen Leitzustand über, während der Josephson Übergang /1 nicht in einen normalen Leitzustand geschaltet wird, entsprechend dem kombinierten Strom Is — Im mit dem Schwellenwertstrom Ijj, welcher kleiner als der Schwellenwertstro~i Iß ist Wenn die josephson Verbindung /2 sich in dem normal leitenden Zustand befindet, verschwindet der Sperrstrom /& woraufhin ein Strom I_g mittels des Steuerstromes +/cüber den magnetischen Induktionsfluß durch den Kreis Q in Richtung des in Fig. 1 wiedergegebenen Teiles induziert wird. Dieser induzierte Strom Ig wird zu dem Strom Im hinzuaddiert, so daß sich im Ergebnis ein kombinierter Strom Ig+Im ergibt, welcher den Schwellenwertstrom Iji der Josephson Verbindung /1 erreicht, mit dem Ergebnis, daß die Kreise Kl und K 2 in den normalleitenden Zustand zurückgeführt werden und sich der Kreis Q durch einen Spannunnd mit endlichem Spannungswert kennzeichnet. EMe Folge hiervon ist, daß ein Strom If fiber den Ausgang F und damit über den Widerstand R

abschließt. Bei der Selektion eines geeigneten Wertes von a wird ein a-Anteil A 2 der Schwellenwertkurve A nutzbar gemacht mit einem Anstieg, der kleiner als 1 ist in bezug auf den Steuerstrom + /cund dessen Ende auf einem Umkehrpunkt PO auf der Achse des Stromes Ib liegt.

Ein Abschnitt A 3 der Schwellenwertkurve A wird nunmehr näher diskutiert. Wenn der Basisstrom soweit reduziert ist, daß ein kombinierter Strom /si — /5 vorliegt, der negativ ist, dann kann der Strom Im — Is den Strom — Iß erreichen, bevor der kombinierte Strom /κ + /sden Strom Ip erreicht mit dem Ergebnis, das die Josephson Verbindung /1 als erste in einen Zustand übergeht, der ein endlicher Spannungszustand ist. Die Breite des Basisstromes und die geringe Breite des Steuerstromes Ic reicht aus, um diese Bedingung vorgeben zu können. Der Abschnitt A 3 der Schwellenwertkurve A hat eine negative Neigung.

Wenn die Richtung des Stromflusses für den Steuerstrom Ic sich umkehrt und damit ein Strom — Ic fließt, dann ergibt sich ein Abschnitt A 1 für die Schwellenwertkurve A, welcher steiler ist als der Abschnitt A 2 in bezug auf die Achse des Stromes Is- In diesem Augenblick wird der Sperrstrom Is dem Strom /si hinzuaddiert, wobei der Schwellenwertstrom Iß kleiner als der Schwellenwertstrom Ip ist, welche Bedingung wiederum dazu führt, daß der Schaltkreis Q in einen Zustand eintreten kann, der sich durch eine endliche Spannung kennzeichnet, und zwar mit einem geringeren Betrag für den Steuerstrom Io Damit ergibt sich ein Abschnitt A 1 für die Schwellenwertkurve mit einer steileren Neigung als dieses für den Kurvenabschnitt A 2 der Fall ist.

Unter der Voraussetzung, daß der Steuerstrom — Ic für den Strom Ib am Punkt P1 einen Wert besitzt, der unterhalb des Schaltpunktes PO liegt und innerhalb des durch die Schwellenwertkurve A definierten Bereiches und für den Strom — /cein Betrag gegeben ist am Punkt P 3, welcher rechts vom Punkt P 2 liegt und damit innerhalb des Bereiches, ist ein Koordinatenpunkt P4 bestimmt, auf welchem sich der endliche Spannungszustand realisieren läßt

Wenn sowohl der Strom /_ßals auch der Strom /_cNull sind, dann befindet sich der Kreis Q in seinem Nullspannungszustand. Wenn der Strom I_B Null ist und der Strom Ic am Punkt P 3 einen Wert besitzt wie in F i g. 2 gezeigt dann befindet sich der Kreis Q gleichfalls in seinem Nullspannungszustand. Wenn der Strom Ib einen Wert am Punkt P1 von endlicher Größe und der Strom /cNull aufweist dann ist der Kreis Q gleichfalls in seinem Nullspannungszustand. Unter der Voraussetzung, daß der Steuerstrom + Ic ist ist der Kreis Q in dem Nullspannungszustand, wenn der Strom h einen

D.,_nU, Ot ,.λ-,·,

nungszuständen in einem konstanten Vorspannstrom zu schalten, ist an den Kreis eine positive Steuerspannung + /cgelegt, welche dem Intervall zwischen dem Punkt C (Nullspannungsbereich) und dem Punkt A (endlicher

-) Spannungsbereich) entspricht, oder eine negative Steuerspannung — Ic, welche dem Intervall zwischen dem Punkt Cund dem Punkt ß(endlicher Spannungsbereich) entspricht. Um eine solche Kennlinie verbessern zu können, ist es notwendig, den Anstieg der

in Schwellenwertstromkennlinie steiler auszuführen, so wie das in Fig.3 mit der gestrichelten Linienführung angedeutet ist.

Die durch den erfindungsgemäß ausgebildeten asymmetrischen Interferenzschaltkreis erhältliche Kennlinie ist in F i g. 4 mit der ausgezogenen Linienführung dargestellt. Einen Kurvenverlauf, wie er in dieser Darstellung in gestrichelter Linienführung gezeigt ist, erhält man, wenn man die Richtung des Steuerstromes umkehrt, und es ergibt sich bei entsprechender Kombination der Kennlinien ein Kurvenverhalten, wie das in F i g. 3 mit der schraffierten Fläche gezeigte, also ein solches, welches die schraffierte Fläche umschließt wobei dieses im wesentlichen dem in F i g. 3 als gestrichelte Linienführung angedeuteten entspricht.

Der bekannte asymmetrische Interferenzkreis, wie einleitend zu der Literaturstelle von Beha angedeutet, zeigt hingegen eine Charakteristik, wie sie in F i g. 5 mit der ausgezeichneten Linienführung dargestellt ist. Da der höchste Punkt dieser Kurve um den Wert AS von der Ib Achse versetzt ist, ergibt sich ein relativ großer negativer Steuerstrom, der erforderlich ist, um den Punkt B (endlicher Spannungsbereich) zu erreichen. Die Bedingung ist damit die, daß ein größerer Vorspannstrom am Punkt D zugeführt werden muß, als es dem endlichen Spannungszustand entspricht. Mit einem Vorspannungsstrom zu arbeiten, dessen Größe zwischen den Punkten D und E liegt, ist jedoch praktisch außerordentlich schwierig. Ein solcher Vorspannstrom läßt sich nicht anwenden, wenn zwei Schaltkreise in ihrem Kennlinienverhalten überlagert werden sollen, insbesondere dann nicht, wenn die Steuerströme bei den überlagerten Schaltkreisen entgegengesetzte Polarität aufweisen sollen. Ein solcher Schaltkreis kennzeichnet sich damit durch einen außerordentlich schmalen Betriebsbereich. Im Gegensatz hierzu kann nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ein Kennlinienverlauf erhalten werden, dessen Schwellenwertstromverhalten sich durch die in F i g. 5 zu der einen Hälfte gestrichelten Linienführung

so kennzeichnet wobei eine Spannungsschaltung mittels eines schmalen Steuerstroms möglich wird, und zwar für einen breiten Betriebsbereich des Schaltkreises.
Experimentell wurde ermittelt daß mit einem

u:_ on ..«-

positiven Wert am Punkt PS hat Damit ergibt sich, daß der Kreis Q in einen endlichen Spannungszustand Obergeht, wenn der Strom /cüber einen Wert am Punkt P 6 oder P 7 ansteigt mit dem Strom Ib, welcher noch am Punkt Pl vorliegt

Nachfolgend soll nunmehr ein Vergleich angestellt werden zwischen den Charakteristika und Besonderheiten eines herkömmlichen, symmetrischen Massenpunkt-Interferenzschaltkreises und eines asymmetrischen Massenpunkt-Interferenzschaltkreises nach dem erfüidungsgemäßen Aufbau. Wie in F i g. 3 gezeigt verbreitert sich die I_B — Ic Kennlinie der herkömmlichen Schaltung in der dargestellten, durchgezogenen Form der symmetrischen Kurve. Um zwischen den Spaneine Ib — Ic Kennlinie erzielt werden kann, bei der Δ S ^ 0 ist und der Abschnitt A 1 der Schwellenwertkurve A in F i g. 2 eine Neigung größer als 1 hat

Der Detailaufbau des asymmetrischen Schaltkreises nach Fig. 1 ist in Fig.6 und 7 gezeigt auf die nachfolgend näher Bezug genommen werden wird. Eine isolierende Trägerschicht 11 ist mit einer geerdeten Leiterschicht 12 versehen, die hier als Superconductor-(Supraleitungs-) Schicht 12 bezeichnet wird, auf welcher eine weitere Schicht 13 aus Isoliermaterial aufgebracht ist Auf der Isolierschicht 13 ist eine Elektrode 14 in der dargestellten Weise in Stellung gebracht die ihrerseits wieder mit einer Isolierschicht 15 abgedeckt ist mit Ausnahme von zwei Bereichen, die schlitzförmige

Kontaktbalken 16 und 17 fur die Herstellung der Josephson Verbindungen Ji und /2 vorgeben. Eine Elektrode 18 ist auf der Isolierschicht 15, mit den freiliegenden Bereichen 16 und 17 verbunden, angebracht Eine weitere Isolierschicht 19 überdeckt die Elektrode 18 und die Isolierschicht 15 bis hin zur Isolierschicht 13 in der insbesondere aus der Querschnittsdarstellung ersichtlichen Form, an der sie befestigt ist Die Zuführung D für den Steuerstrom verläuft über die Isolierschicht 19. Die Zuführung B für den Vorspannstrom ist an ein Ende der Elektrode 18 angeschlossen, mit dem ein logischer Ausgang der Leitung Fverbunden ist, wobei der Logikausgang Fan seinem anderen Ende mit einem Widerstand R in Verbindung steht. Das andere Ende der Zuführung oder Einspeisung B für den Vorspannstrom ist an die Elektrode 14 angeschlossen. Mit dieser Anordnung wird durch die Elektrode 18 eine Induktanz gebildet, bei der die Einspeisung D für den Steuerstrom und die Elektrode 18 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind.

F i g. 8 zeigt die Verwendung eines Logikschaltkreises in Verbindung mit dem asymmetrischen Interferenzschaltkreis, wie er unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 7 beschrieben ist, wobei die Stromquellen in F i g. 8 für die bessere Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Der Aufbau des Logikschaltkreises nach Fig.8 ist im wesentlichen zu vergleichen mit dem von F i g. 1 mit Ausnahme der Tatsache, daß die Einspeisung D für den Steuerstrom durch zwei Zuführungen DX und D 2 für den Steuerstrom ersetzt ist, die die Induktanzelemente Af 3, Af4 und A/5, Af 6 mit einschließen, wobei diese mit den Induktanzelementen AfI und M2 des Kreises Q elektromagnetisch gekoppelt sind. Der Vorspannstrom Ib teilt sich auf in die beiden Ströme /« und Ibi, die durch die Elemente AfI und M 2 fließen. Die Elemente Af 3 und Af 4 sind elektromagnetisch gekoppelt mit den Elementen AfI und Af 2, so daß dann, wenn ein Steuerstrom Ia durch die Einspeisung Di fließt, ein Strom /αϊ durch die elektromagnetische Kopplung in dem Element AfI induziert wird, welcher in gleicher Richtung wie der Strom /« fließt, und ein Strom Iai durch die elektromagnetische Kopplung in dem Element Af 2 induziert wird, welcher entgegen der Richtung des Stromes Im fließt Die elektromagnetsehen Elemente Af 5 und Af 6 stehen in elektromagnetischer Kopplung mit den Elementen AfI und Af 2, so daß dann, wenn ein Steuerstrom über die Einspeisung D 2 in Form des Steuerstromes Ia fließt, in dem Element AfI ein Strom fai induziert wird, welcher entgegengesetzt der Richtung des Stromes Im fließt, und ein Strom Ica in dem Element Af 2, der in der gleichen Richtung des Stromes/ß2 fließt.

Bei einer solchen Anordnung wird davon ausgegangen, daß der Strom Ib einen Wert entsprechend dem Punkt Pi in Fig.2 aufweist und die absoluten Werte der Ströme /ei und /_C2 gleich dem Punkt P3 sind, wobei der Strom /ei in Vorwärtsrichtung und der Strom /c2 in Rückwärtsrichtung bezüglich des Stromes Ic in F i g. 2 fließen, d. h., daß die Ströme Ib, /ei und Ic2 so getrennt und ausgewählt sind, daß die Koordinatenpunkte der Ströme Ib, /ei durch den Punkt PS angezeigt sind und die Koordinatenposition der Ströme Ib und Ic2 durch den Koordinatenpunkt PA. Die Beträge der Ströme /_a /ei und Ic2 sind bei diesen Bedingungen durch den logischen Binärwert »1« gekennzeichnet. Unter der Voraussetzung, daß die Ströme Ib, /ei und la alle Null sind, und ihre Binärwerte gleichfalls durch »0« vorgegeben sind, und das Vorhandem-ein des Stromes If, abgezweigt vom Strom Ib, in der Leitung F die Binärkennung »1« besitzt, ergibt sich das Nichtvorhandensein des Binärzustandes »0«.

Kennzeichnet sich der Strom Ib durch den Binärzustand »1«, dann wird der Strom Ip gleichfalls »1«, wenn nur der Strom Ic2 auf »1« liegt und der Strom /pwird »0« auf anderen Werten der Ströme /ei, /c2, wie das in der Tabelle von F i g. 9 illustriert ist Wenn beide Ströme /ei und /c2 auf »1« sich befinden, dann fließen zur gleichen Zeit der positive Strom + Ic und der negative Strom — Ic, woraus sich das gegenseitige Aufheben des Stromes, also das NichtVorhandensein eines Steuerstromes, ergibt

Fig. 10 zeigt einen EXCLUSIV-ODER-Schaltkreis mit einer Mehrzahl von asymmetrischen Interferenzschaltkreisen nach der Erfindung. Die Logikschaltung besteht aus zwei Schaltkreisen G1 und G 2, von denen jeder entsprechend der in Fig.8 beschriebenen Schaltung aufgebaut ist Der Widerstand R fehlt entsprechend der Darstellung in der Schaltung G 2, wofür hier die Verbindung zwischen G1 und G 2 tritt Die Kreise Q mit den Logikschaltungen G 1 und G 2 sind in Reihe zueinander geschaltet, und zwar in bezug auf die Basisstromzuführungen B und die Induktanzelemente AfI, AfJ des Kreises Q in der Logikschaltung G 2, die elektromagnetisch gekoppelt mit den Zuführungen Di, D 2 für den Steuerstrom sind. Die weiteren Schaltkreisanordnungen entsprechen dem Aufbau wie in F i g. 8 gezeigt Unter der Annahme, daß der Strom /ei durch die Zuführung D1 einfließt, werden durch die elektromagnetische Kopplung Ströme /'cn und /'ei2 induziert, welche durch die Elemente AfI und Af 2 des Schaltkreises G 2 fließen. Durch die elektromagnetische Kopplung der Einspeisung D1 mit den Elementen Af 1 und Af 2 des Schaltkreises G 2 ergibt sich, daß Ströme /'cn und /'ci2 in entgegengesetzter Richtung und in gleiche Richtung wie die Ströme Ib 1 und hi, welche durch die Elemente AfI und Af 2 des Schaltkreises G 2 fließen, basierend auf dem Strom Ib durch die Einspeisung B zugeführt sind. Unter der weiteren Annahme, daß der Strom /c2 durch die Einspeisung B 2 eingegeben wird, ergibt sich durch die elektromagnetische Kopplung die Induzierung der Ströme /'c2i und /'c22. welche durch die Elemente AfI und Af 2 des Schaltkreises G 2 fließen, wobei die Zuführung D 2 elektromagnetisch gekoppelt mit den Elementen AfI, Af 2 des Stromkreises G2 ist, so daß die Ströme /'_C2i und /'c22 in gleicher Richtung fließen und in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Ströme Ie 1 und Ib 2, die durch die Elemente Ail, Af2 des Schaltkreises G2 fließen.

Bei dieser Schaltungsanordnung befindet sich der Schaltkreis Q in der Logikschaltung G i auf Null und das Vorhandensein endlicher Spannungszustände basiert auf der Kombination der Ströme Ib, /ei und I_C2 in gleicher Weise, wie das für die Anordnung des Schaltkreises nach Fig.8 gezeigt und beschrieben worden ist. In dem Kreis <?des Logikkreises G 2 fließer die Ströme /'cn und /ti2 und die Ströme /'c2i und /'c2: in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Ströme /cn und /ci2 und die Ströme /c2i und Ic22- Damit ist dei Kreis G 2 nur dann in einem Zustand mit einen· endlichen Spannungswert, wenn der Strom /c2 auf »0<· ist und die Ströme Ib und /el auf »1«. Da dk Schaltkreise Q, Q der Logikschaltungen Gl, G 2 ir Reihe geschaltet miteinander verbunden sind mit einerr gemeinsamen Zuleiter B für den Vorspannstrom, ist e·

nicht erforderlich, daß die Schaltkreise G1 und G 2 sich gleichzeitig auf einem endlichen Spannungswert befinden. Wenn einer der Schaltkreise G1 oder GI sich in einem Zustand befindet, der sich durch einen endlichen Spannungswert kennzeichnet, dann fließt ein Strom If über den Ausgang F, der von dem Schaltkreis Gl abgezweigt ist

Wenn davon ausgegangen wird, daß die Ströme /ei und Jc2 durch die Eingangsverbindungsleitungen Dl und D 2 für die Logikeingangssignale X und y zuständig to sind, und der durch den Ausgang F fließende Strom If dem logischen Ausgangssignal Z entspricht, dann ist das Ausgangssignal Z nur dann auf dem Wert »1«, wenn entweder das Eingangssignal X oder Y sich auf »1« befindet, welches der Funktionsweise des EXCLUSlV-ODER-Gatters entspricht Eine solche ODER-Verknüpfung ist anwendbar bei einer einfachen Schaltungsanordnung, die aus vier Josephson-Verbindungen, vier Induktanzelementen und einem Impedanzelement besteht Wenn die Eingangssignale X und Y bezüglich ihres Pegels relativ niedrig sind, dann läßt sich die ODER-Gatterfunktion dennoch für eine hohe Empfindlichkeit verwenden, ohne daß hierfür eine Vergrößerung des Energieaufwandes erforderlich wäre. Darüber hinaus ist der Gesamtaufbau der Schaltungsanordnung sehr schmal. Da meistens und höchstens nur ein asymmetrischer Massenpunkt-Interferenzschaltkreis sich in einem Zustand endlicher Spannung befindet, kann die Logikschaltung eine Ausgangsspannung vorgeben, die auf dem gleichen Spannungswert wie der Ausgang eines Logikgatters liegt

In der Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, VoL 15, Nr. 5, vom Oktober 1972, S. 1528, ist unter der Überschrift »Cryoton Exclusive OR Function« von B. S. Landman ein EXCLUSIV-ODER-Schaltkreis beschrieben worden mit einem durch Josephson-Verbindungen gekennzeichneten Gatter. Dort wird jedoch zufolge der langen Josephson-Verbindungen ein erhöhter Energieaufwand unumgänglich und zum anderen ist die Betriebsgeschwindigkeit verglichen mit dem vorstehend Beschriebenen relativ niedrig.

In Fig. 12 ist ein sogenannter Majoritätslogikschaltkreis gezeigt, der einen asymmetrischen Interferenzschaltkreis nach der Erfindung mit umfaßt. Durch die Zuteiler D1, D2 und D 3 werden Steuerströme Ia, /c2 und /c3 in gleicher Richtung eingespeist wie das für den in F i g. 2 gezeigten positiven Steuerstrom leder Fall ist. Es wird angenommen, daß der Strom h einen Wert besitzt, der durch den Punkt Pi in F i g. 2 gekennzeichnet ist, und daß die absoluten Beträge der Ströme /ei, Ic2 und /c3 gleich dem Punkt P3 in dem kartesischen Koordinatensystem entsprechen.

Auch wird darüber hinaus davon ausgegangen, daß die Ströme Ib η Ic\, la und Ici so ausgewählt sind, daß die Koordinatenposition der Ströme Ib\, Ic\ dem Punkt P 5 in F i g. 2 entsprechen, der innerhalb der Schwellenwertkurve A liegt, wobei die Koordinaten des Stromes /ei und der Summe der Ströme /ei und Ia durch den Punkt P 6 wiedergegeben sind und die Koordinatenlage des Stromes h\ und die Summe der Ströme /ei, Ic2 und /c3 durch den Punkt Pl angezeigt ist, wobei die Punkte P% und Pl außerhalb der Kurve A liegen. Die Beträge der Ströme h\, /ei, Ici und Ia unter diesen Voraussetzungen kennzeichnen sich durch den Binärwert »1«. Darüber hinaus wird unterstellt, daß die Ströme Ib\, /ei und Ia Null sind, daß ihre Binärwerte der Wertigkeit »0« entsprechen und daß der unter diesen Voraussetzungen fließende Strom If\ von dem /si de=i Ausganges Fi abgeleitet ist, was dem Vorhandensein des Binärwertes »1«, also dem Nichtvorliegen der binären »0« entspricht

Wenn sich der Strom Ib1 durch den Binärwert »1« kennzeichnet, dann geht der Strom If\ gleichfalls auf den Binärwert »1« nur dann, wenn zwei oder mehrere der Ströme /ei, Ic? und /c3 auf dem Binärwert »1« liegen, und der Strom If\ wird »0« bei den anderen Werten'der Ströme /ei, Ia und /c3, wie in der Tabelle von Fig. 13 im einzelnen gezeigt ist, auf die in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen wird.

Vorstehend sind die Logikschaltung nach Fig. 12 und die ODER-Schaltung gemäß Fig. 10 als vorteilhafte beispielsweise Schaltungen in Kombination mit dem asymmetrischen Interferenzschaltkreis nach der Erfindung beschrieben worden. Die Logikschaltung kann darüber hinaus auch in vorteilhafter Weise mit Additionsschaltkreisen kombiniert werden, wie nachfolgend näher ausgeführt wird.

Ein sogenannter binärer Volladditionskreis nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine #i-te Stufe in Form der in F i g. 14 gezeigten Schaltung, die als Majoritätslogikschaltung //, wie sie in Fig. 12 wiedergegeben ist, verwendet wird, und zwei EXCLUSIV-ODER-Schaltkreise Nl und N 2, von denen jeder einzelne dem in Fig. 10 gezeigten Schaltkreis entspricht Die äquivalenten η-ten und n+ 1-ten Stufen sind in Tandemschaltung mit der η-ten Stufe für parallelen Volladditionsbetrieb zusammengeschaltet

Der Logikschaltkreis H ist mit seiner Zuleitung B1 für den Vorspannstrom in Reihe mit der Zuleitung B 2 des EXCLUSIV-ODER-Tores Ni geschaltet, wobei diese Reihenschaltung eine Basisstromverbindungsleitung ΑΦ i vorgibt Die Basisstromzuführung B2 des. EXCLUSIV-ODER-Tores N2 ist entsprechend bei ΑΦ 2 angegeben. Eine eingangsseitige Stromzuführung Dl des Schaltkreises H und eine eingangsseitige Einspeisung D 4 des Schaltkreises Nl ist in Reihe zueinander liegend als eine Eingangsstromzuführung AUn benannt. Der Schaltkreis //besitzt darüber hinaus die eingangsseitige Stromzuführung D 2, die seriengeschaltet mit der eingangsseitigen Stromzuführung D 5 des Schaltkreises N1 ist, wobei die Zuleitungen D2,D5 die eingangsseitige Verbindungsleitung AVn bilden. Eine Eingangsstromzuleitung ACn—1 wird vorgegeben durch eine eingangsseitige Stromzuleitung D 3 des Schaltkreises H und eine eingangsseitige Stromzubringung D 5 des Schaltkreises N 2, der Einspeisungen D 3, DS, die in Reihe zueinander liegen. Der Schaltkreis N1 ist mit einem ausgangsseitigen Stromabzweig F2 versehen, welcher in Reihe mit dem eingangsseitigen Stromzubringer DA des Schaltkreises N2 liegt, die Speiseleitungen F2 und D 4 bilden eine eingangsseitige und ausgangsseitige Stromspeiseleitung ANn.

Der ausgangsseitige Stromzuteiler Fl des Schaltkreises //dient als ausgangsseitige Stromabzweigung ACn und die ausgangsseitige Stromableitung F2 des Schaltkreises Λ/2 dient als Ausgang eines Stromabzweigers ASn. Die Zuteiler ΑΦ1 und ΑΦ 2 für den Vorspannstrom legen Taktsignale Φ i und Φ 2 an die Schaltung. Über die Eingänge A Un und A Vn werden Logikimpulssignale Un und Vn für die /Me Stufe zugeführt Die eingangsseitige Stromzuführung ACn-1 wird gespeist mit einem Logikträgersignal Cn-I von der vorherigen n— 1 -ten Stufe.

Die Arbeitsweise des Volladditionskreises wird nunmehr anhand der Fig. 15 beschrieben, mit welcher eine Zeitübersicht bezüglich der verschiedenen Ein-

gangs- und Clockimpulse gegeben ist Gemäß der Darstellung von Fig. 15 wird beispielsweise von einem Schaltzustand ausgegangen, bei dem der erste Eingangsimpuls Un den Binärwert »1« darstellt und der zweite Eingangsimpuls Vn den logischen Binärwert »0«. Das Trägersignal Cn—1 der vorhergehenden Stufe der Schaltung, also n— 1-ten Stufe, liegt auf »1«, wobei alle Signale auf der /Ken Stufe addiert werden. Zwei miteinander zu addierende Eingangsimpulse Ui und Vi werden zu einer Zeit TO an alle Stufen der Schaltung ι ο angelegt

In F i g. 15 befindet sich das Signal Un auf »1« und das Signal Vn auf »0«, wobei diese an den Eingängen der π-ten Stufe liegen. Zu einer Zeit Ti wird ein Clockimpuls Φ1 als Vorspannstrom den Schaltkreisen H und Nl zugeführt und ein Vergleich dieser ausgeführt Hierdurch wird von dem Schaltkreis H ein Ausgangssignal abgegeben, welches die binäre Wertigkeit »0« hat und zwar dann und nur dann, wenn der Eingang dieses Schaltkreises, das heißt der Eingang Un auf »1« lit.-gt, und der Schaltkreis N1 ein Ausgangssignal Mi der Wertigkeit »1« produziert Weitere Trägersignale werden als Impulsfolge von den unteren Stufen der Schaltung nachgeliefert Zu einer Zeit 7"2 wird das Trägersignal, das heißt also der Impuls O7-I, von n- 1-ten Schaltungsstufe angelegt und 2-aus-ein-3-Berechnungen werden von dem Schaltkreis H durchgeführt, woraufhin der Trägerimpuls Cn in der η-ten Stufe in Fig. 15 auf den Binärwert »1« geht Nachdem die Trägerimpulse der Signale Ci für alle Stufen festgelegt sind, wird der Clockimpuls Φ 2 an den Schaltkreis N2 zur Zeit Γ3 für das EXCLUSIV-ODER-Tor angelegt, und zwar bezüglich des Signals Nn und Cn-I. Eine Summierung der Signale Sn ergibt den Binärwert »0« in der n-ten Stufe beziehungsweise Teilstrecke in F i g. 15.

Entsprechend werden die Summationssignale Si gleichzeitig bestimmt für alle Stufen, wodurch die binäre Parallelvollrechnung vervollständigt wird. Mit einem solchen Additionskreis oder einer solchen Schaltungsanordnung werden nur drei Gatter für die Umschaltung einer Stufe benötigt Damit ist die Zahl der Gatter wesentlich geringer als mit herkömmlichen Addierschaltungen mit dem Ergebnis, daß die Zeitverzögerung herabgesetzt wird und die Betriebszeit der Addierschaltung verkürzt wird.

Wegen des Vorganges zwischen dem Vorspannstrom und dem Streustrom während der Spannungsschaltung des asymmetrischen Interferenzschaltkreises ist es für das EXCLUSIV-ODER-Tor erforderlich, daß dieses an den Vorspannimpuls nach den beiden entsprechend so vorzusetzenden Eingängen angelegt wird. Es verdient hervorgehoben zu werden in diesem Zusammenhang, daß erfindungsgemäß keinerlei Beschränkungen für und bezüglich des Majoritätslogikschaltkreises auferlegt werden, etwa bezüglich der Zeitfolge der Eingangsimpulse und der Vorspannstromsignale, mit Ausnahme der Tatsache, daß alle Eingänge gesetzt sein müssen beziehungsweise zu setzen sind, wenn das Gatter mit dem Vorspannsignal beaufschlagt wird.

Der Schaltkreis /Vl als Volladditionsschaltkreis erfordert damit die Einspeisung des Clocksignals, nachdem die Signale Un Vn vorgegeben worden sind. Das Clocksignal kann jedoch dem Schaltkreis H entweder vor oder nach den Signalen Un, Vn und Cn — 1 zugeführt werden. Während in F i g. 14 die Clockimpulse Φ 1 synchron durch die seriengeschalteten Leitungen zu den Schaltkreisen H und N1 eingespeist werden, ist eine solche Anordnung nicht erforderlich für die Betätigung der Volladditionsschaltung nach der vorliegenden Erfindung. Die Volladditionsschaltung kann durch Zuführung des Clockimpulses Φ1 als Vorspannsignal zu dem Schaltkreis //sowie durch Zuführung des Clockimpulses Φ 2 als Vorspannsignal zu dem Schaltkreis /Vl nach Vorlage der Signale Un, Vn ausgeführt werden und durch Zuführung eines Additionsclockimpulses Φ 3 (nicht gezeigt) zu dem Schaltkreis /V 2 nach Ausbildung und Vorgabe der Signale Nn, Cn— 1.

Wie oben ausgeführt und in Verbindung mit F i g. 14 ersichtlich, ist der erste eingangsseitige Zuleiter des Schaltkreises Hm Reihe mit dem ersten eingangsseitigen Zuleiter des Schaltkreises NX verbunden, und der zweite eingangsseitige Zuleiter des Schaltkreises H in Reihe geschaltet mit dem zweiten Eingangszuleiter des Schaltkreises Ni. Eine derartige Verdrahtung ist nicht erforderlich, jedoch solange wie die Eingänge Un, Vn und das Trägersignal Cn—1 dem Schaltkreis H zugeführt werden, die Signale Un, Vn zu dem Schaltkreis Nl und der Ausgang Nn des Schaltkreises /Vl und das Trägersign»! Cn— 1 zu dem Schaltkreis N2. Beispielsweise kann das Signal Un parallel dem ersten Eingangszuteiler des Schaltkreises H und dem ersten Eingangszuteiler des Schaltkreises Ni zugeführt werden.

In der dargestellten Ausführungsform besitzt das Signal Un die binäre Wertigkeit »1«, das Signal Vn die Wertigkeit »0« und das Signal Cn— 1 von »1«, wobei die Betätigung, wie in Fig. 14 gezeigt, als Volladditionsschaltkreis erfolgt beziehungsweise eine solche Arbeitsweise gegeben ist Wenn andere Kombinationen der Binärwertigkeiten von »0« auf »1« Anwendung finden, sind entsprechende Variationen möglich. Fig. 16 zeigt eine Tabelle für die Binärwertigkeiten »0« und »1« der Eingangssignale Un, Vn und Cn-I und die sich daraus ergebenden Wertigkeiten für den Ausgang des Trägersignals Cn und das Ausgangssignal Sn.

Der in Fig. 14 gezeigte Schaltkreis arbeitet als binärer Volladditionsschaltkreis und beinhaltet eine Majoritätslogikschaltung mit zwei Josephson-Verbindungen und zwei Induktanzelementen sowie zwei EXCLUSIV-ODER-Schaltungen, die wiederum vier Josephson-Verbindungen und vier Induktanzelemente und drei Widerstände besitzt Der Additionsschaltkreis ist in seinem Aufbau außerordentlich einfach, und es ergeben sich für ihn sehr geringe Abmessungen und der Energieverbrauch des Schaltkreises kann gegenüber herkömmlichem herabgesetzt werden, wobei er auf einfache Weise die Funktion eines Binärvolladditionsschaltkreises mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit übernimmt und wobei darüber hinaus vorteilhaft ist, daß die Eingangssignale Un, Vn und das Eingangsträgersignal Cn— 1 eine relativ niedrige Signalhöhe besitzen können.

Fig. 17 zeigt einen Binärhalbadditionsschaltkreis, welcher in seinem Aufbau zu der Schaltung nach Fig. 14 insofern unterschiedlich ist als die Zuleitung D 3 für den Eingangsstrom des Majoritätslogikschaltkreises H und damit der eingangsseitige Zuteiler ACn-1 entfallen und der eingangsseitige und ausgangsseitige Stromzuteiler ANn durch einen ausgangsseitigen Stromzuteiler Λ5π'ersetzt ist F i g. 18 zeigt die Tabelle der Binärzustände für die Eingangssignale Un, Vn und die sich daraus ergebenden Signale für das ausgangsseitige Trägersignal Cn'und ein Ausgangssignal Sn'sowie sie ausgangsseitig an der Stromabzweigung ACn und ASn' anstehen. Der Binärhalbadditionsschaltkreis von Fig. 17 ist ansonsten exakt der Schaltung von Fig. 14 vergleichbar.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Logische Schaltungsanordnung mit wenigstens einem asymmetrischen Massenpunkt- bzw. Quantum-Interferenzschaltkreis, bei dem die logischen Ausgangszustände den Spannungszuständen des asymmetrischen Interferenzschaltkreises entsprechen mit einer Parallelschaltung, bestehend aus einer ersten Josephson Verbindung (JX) mit einem i<> Schwellenwertstrom (/,i) und einem ersten Induktanzelement mit einer Induktion (L 1), die in Reihe mit der ersten Josephson Verbindung liegt, und eine zweite Josephson Verbindung (J 2) mit einem Schwellenwertstrom (Ij2) und ein zweites Induktanz- ι ϊ element mit einer Induktion (L2) in Reihe mit der zweiten Josephson Verbindung liegend, wobei die erste Reihenschaltung der Josephson Verbindung mit dem ersten Induktanzelement parallel zu der Reihenschaltung der zweiten Josephson Verbindung mit dem zweiten Induktanzelement liegt, und. mit einer Zuführung (B) für die Einspeisung eines Vorspannstromes zu den beiden Josephson Verbindungen und eine Zuführung (D) für einen Steuerstrom zu den in Reihe geschalteten beiden Induktanzelementen, die elektromagnetisch untereinander gekoppelt sind und mit einem Ausgang (F) zwischen der Zuführung des Vorspannstromes und den parallelen Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung den folgenden Beziehungen entspricht:

IlL

A'

aund

L2 I_j2 <

wobei a eine reale Zahl größer 1 ist und Φο eine Flußquantumeinheit gleich 2 χ 10-'⁵Wb, und wobei der Steuerstrom des asymmetrischen Interferenzschaltkreises minimal gehalten werden kann.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reale Zahl a eine Zahl zwischen 1 bis 20 ist.

3. Schallungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reale Zahl a eine Zahl zwischen 1 und 10 ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bei einem EXCLUSIV-ODER Gatter, wobei die Schaltung ein Paar erste und zweite in Reihe geschaltete asymmetrische Massenpunkt-Interferenzschaltkreise aufweist, von denen jeder einen ersten Schaltkreis mit einer ersten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Ij 1) und ein erstes Induktanzelement mit einer Induktion (L X), die in Reihe mit der ersten Josephson Verbindung liegt und einen zweiten Schaltkreis mit einer zweiten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Ij₂), der unterschiedlich zu dem ersten Strom (Ij\) ist, und ein zweites Induktanzelement mit einer Induktion (L2), die in Reihe mit der zweiten Josephson Verbindung liegt, aufweist, wobei die beiden Schaltkreise parallel miteinander geschaltet sind, und die Anordnung die folgenden Gleichungen erfüllt:

Ai

I- 2

— = r/und L 1 /._; - LIl₁₁ I 2

Φ,,

wobei a eine reale Zahl größer I ist und Φο eine Flußauantuineinheit bzw. Flußmassenounkteinheil gleich 2 χ 10—^1S Wb, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführung für einen Vorspannstrom an die ersten und zweiten in Reihe geschalteten asymmetrischen Interferenzschaltkreise angeschlossen ist, daß eine erste Steuerstromzuführune elektromagnetisch mit den ersten und zweiten Induktanzelementen jedes der ersten und zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreise gekoppelt ist, so daß ein Stromfluß durch die erste Steuerstromeinspeiöung elektromagnetisch Ströme induziert, die durch die ersten und zweiten Induktanzelemente des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der gleichen Richtung fließen und in der entgegengesetzten Richtung zu den Strömen, welche durch das erste und zweite Induktanzelement des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen, basierend auf einem Vorspannstrom, der durch die Zuführung des Vorspannstromes eingegeben wird, wobei ein Strom durch das erste Eingangsstromeinspeisungsorgan elektromagnetisch Ströme induziert, die durch das erste und zweite Induktanzelement des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in entgegengesetzter Richtung zu und in der gleichen Richtung wie die Ströme fließen, die durch das erste und zweite Induktanzelement des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen, basierend auf dem Vorspannstrom, der dem zugehörigen Einspeisungsorgan eingegeben wird, daß ein zweiter Steuerstromzuführer elektromagnetisch mit dem ersten und zweiten Induktanzelement jedes der ersten und zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreise gekoppelt ist, so daß ein Strom durch das zweite Stromeinspeisungsorgan fließend elektromagnetisch Ströme induziert, die durch das erste und zweite Induktanzelement des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in entgegengesetzter Richtung zu und in gleicher Richtung der Ströme fließen, die durch das erste und zweite Induktanzelement des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen, basierend auf dem Vorspannstrom, der durch das Zuführungselement des Vorspannstromes gegeben wird, daß ein Strom durch den zweiten Steuerstromzuführer fließend Ströme elektromagnetisch induziert, die durch die ersten und zweiten Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in gleiche Richtung wie und in der entgegengesetzten Richtung zu den Strömen fließen, die durch das erste und zweite Induktanzelement des zweiten asymmetrischenlnterf erenzkreises fließen, zurückgehend auf den Vorspannstrom, der durch die Zuführung für denselben fließt, und daß ein Ausgangsstromkreis mit einem Anschluß der in Reihe geschalteten ersten und zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreise verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bei einer Binäraddierschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Addierschaltung folgende Bauteile enthält: eine Grundlogikschaltung als Majoritätsschaltung mit einem ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreis mit einem ersten Schaltkreis mit einer ersten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Iji) und einem ersten Induktanzelement mit einer Induktion (Ll), welches in Reihe mil der ersten Josephson Verbindung liegt, und einem zweiten Schaltkreis mit einer zweiten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Ij₂), der zu dem Schwellenwertstrom (Ij]) unterschiedlich ist, und einem zweiten Induktanzele-

ment mit einer Induktion (L 2), das in Reihe mit der zweiten Josephson Verbindung liegt, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise zueinander parallel geschaltet sind, und die Anordnung so getroffen ist, daß die folgenden Beziehungen gelten:

-^- = ~ = α und Ll /,, = LlI₁₁ < Φ,,

Ja

In

wobei a eine reale Zahl größer 1 und Φο eine in Flußquantumeinheit ist, die gleich bis zu 2 χ 10"^!5 Wb beträgt; weiter gekennzeichnet durch eine erste Vorspannstromeinspeisung, die an den ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreis angeschlossen ist, durch erste, zweite und dritte Eingänge für π die Steuerstromeinspeisungen, die elektromagnetisch mit den ernten und zweiten Induktanzelementen des ersten asymmetrischen Schaltkreises gekoppelt sind, so daß Ströme, die durch die ersten, zweiten und dritten Eingänge der Steuerstromein-Speisungen einfließen, elektromagnetisch Ströme induzieren, die durch die ersten und zweiten induktanzelemente des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der gleichen Richtung wie und in der entgegengesetzten Richtung zu den 2> Strömen fließen, die durch die ersten und zweiten Induktanzelemente des ersten asymmetrischen Schaltkreises fließen, basierend auf einem Vorspannstrom, der durch das erste Vorspannstromzuführungselement fließt, und weiter gekennzeichnet n> durch einen ersten Ausgang in Form eines Stromabzweigers, der in Verbindung mit einem Anschluß des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises steht, und gekennzeichnet durch erste und zweite EXCLUSIV-ODER Logikschaltungen, J5 von denen jede in Reihe geschaltete zweite und dritte asymmetrische Interferenzschaltkreise aufweist, und jeder einen dritten Schaltkreis mit einer dritten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Iß) und einem dritten Induktanzelement <to mit einer Induktanz (L 3) besitzt, die in Reihe mit der dritten Josephson Verbindung liegt, und einen vierten Schaltkreis mit einer vierten Josephson Verbindung und einem Schwellenwertstrom (/,4), der unterschiedlich zu dem Schwellenwertstrom (/,3) ist sowie einem vierten Induktanzelement mit einer Induktion (L 4), die in Reihe mit der vierten Josephson Verbindung liegt, wobei die dritten und vierten Schaltkreise parallel zueinander liegen und die Anordnung so getroffen ist, daß sie die folgenden so Gleichungen befriedigen:

Z.3
L4

-ff- = α und Z.3 I_n « L4 l_jA < <P_U

wobei a eine reale Zahl größer 1 ist und Φο eine Flußquantumseinheit gleich zu 2 χ 10-'⁵ Wb; eine zweite Vorspannstromabzweigung, die in Reihe geschaltet ist mit dem zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreis; eine vierte Steuerstromeinspeisung ist elektromagnetisch gekoppelt mit der dritten und vierten Induktanz jedes der zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreise, so daß ein durch der. vierten Einspeisungseingang fließender Strom Ströme induziert, die durch die dritten und vierten Induktanzelemenle des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in gleicher Weise wie und in entgegen-

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60 gesetzter Richtung der Ströme fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzeleaiente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen entsprechend einem Vorspannstrom, der durch die zweite Vorspannstromzuführung gegeben wird, daß ein Stromfluß durch die vierte Steuerstromeinspeisung Ströme induziert, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in entgegengesetzter Richtung zu und in der gleichen Richtung wie die Ströme fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen, basierend auf dem Fluß des Vorspannstromes durch die zweite Vorspannstromeinspeisung; weiter gekennzeichnet durch eine fünfte Steuerstromeinspeisung, die in elektromagnetischer Kopplung mit den dritten und vierten Induktanzelementen jedes der zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschalikreise steht, so daß ein Strom durch die fünfte Eingangseinspeisung fließend Ströme induziert, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaitkreises in entgegengesetzter Richtung zu und in der gleichen Richtung wie die Ströme, die durch die dritten und vierten Induktanrelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises gegeben sind, fließen, basierend auf dem Vorspannstrom, der durch das zweite Einspeisungsorgan des Vorstromes fließt, daß ein Strom durch die fünfte Einspeisung Ströme induziert, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der gleichen Richtung und in entgegengesetzte Richtung zu den Strömen fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises gegeben sind, basierend auf dem Vorspannstrom durch die zweite Vorspannstromeinspeisung, daß ein zweiter ausgangsseitiger Stromabzweig mit einer Anschlußklemme des in Reihe geschalteten zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises verbunden ist; daß weiterhin die erste Steuerstromeinspeisung des Majoritätslogikschaltkreises und die vierte Steuerstromeinspeisung des eisten EXCLUSIV-ODER Gatters ein erstes Eingangslogiksignal aufnehmen, daß die zweite Steuerstromeinspeisung des Majoritätslogikschaltkreises und die fünfte Steuerstromeinspeisung des ersten EXCLUSIV-ODER Logikkreises mit einem zweiten logischen Eingangssignal beaufschlagbar sind, daß die dritte Steuerstromeinspeisung der Majoritätslogikschaltung und die fünfte Steuerstromeinspeisung der zweiten EXCLUSIV-ODER Schaltung mit einem Steuersignal beaufschlagbar ist, daß in dem ersten Ausgang des Majoritätslogikschaltkreises ein Logiksignal in Übereinstimmung mit dem Vorliegen eines Signals an der zweiten ausgangsseitigen Steuerstromeinspeisung erzeugt, und der Einspeisung des ersten EXCLUSIV-ODER Tores bezüglich des vierten Eingangsstromzuführers der zweiten EXCLUSIV-ODER Schaltung zuführt, so daß die zweite Stromeinspeisung des zweiten EXCLUSIV-ODER Tores ausgangsseitig ein vollständiges, addiertes Logiksignal vorgibt.

i. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bei einer Binäradditionsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der binär addierende Schaltkreis

folgende Elemente enthält: einen Majoritätslogikschaltkreis mit einem ersten asymmetrischen Massenpunkt-Interferenzschaltkreis, bestehend aus einem ersten Schaltkreis mit einer ersten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (I₁\) und einem ersten Induktanzelement mit einer Induktivität (L 1), die in Reihe mit der ersten Josephson Verbindung liegt, und einem zweiten Schaltkreis mit einer zweiten Josephson Verbindung mit einem Schwellenwertstrom (Iß), der unterschiedlich zu dem Schwellenwertstrom (Ij\) ist, und einem zweiten Induktanzelement mit einer Induktanz (L 2) in Reihe liegend mit der zweiten Josephson Verbindung, wobei die ersten und zweiten Schaltkreise parallel zueinander geschaltet sind und die Anordnung so getroffen ist, daß sie die folgenden Beziehungen erfüllen:

= ο und L\ /,, « LlI_n < Φ_(ι

Ι,ι Ll 2Ii

wobei a eine reale Zahl ist, die größer als 1 ist, und Φο eine Flußquantumeinheit gleich bis zu 2 χ 10-'⁵Wb; weiterhin gekennzeichnet durch einen ersten Vorspannstromzuteiler, der an den ersten asymmetrisehen Interferenzschaltkreis angeschlossen ist, erste und zweite eingangsseitige Steuerstromzuführungen, die elektromagnetisch mit den ersten und zweiten Induktanzelementen des ersten asymmetrischen Schaltkreises gekoppelt sind, so daß durch die ersten und zweiten eingangsseitigen Stromzuführungen fließende Ströme ihrerseits Ströme induzieren, die durch das erste und zweite Induktanzelement des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der gleichen Richtung wie und in der entgegengesetzten Richtung zu den Strömen fließen, die durch die ersten und zweiten Induktanzelemente fließen, basierend auf einem Vorspannstrom, der durch die erste Vorspannstromverbindungsleitung fließt, weiter gekennzeichnet durch einen ersten ausgangsseitigen Stromabzweig, der mit einem Anschluß des ersten asymmetrischen Interferenzschaltkreises verbunden ist; durch einen ersten EXKLUSiV-ODER Logikschaitkreis mit in Reihe geschalteten zweiten und dritten asymmetrischen Massenpunkt-lnterferenzschaltkreisen, jeder mit dritten Schaltkreisen ausgerüstet, die dritte Josephson Verbindungen mit einem Schwellenwertstrom (Iß) aufweisen, sowie einem dritten Induktanzelement mit einer Induktivität (L3), das in Reihe mit der dritten Josephson Verbindung liegt und einem vierten Schaltkreis mit einer vierten Josephson Verbindung mit einem

Schwellenwertstrom (Iß) ist und mit einem vierten Induktanzelement mit einer Induktivität (L 4), das in Reihe mit der vierten Josephson Verbindung liegt wobei die dritten und vierten Schaltgleise parallel zueinander liegen und so angeordnet sind, daß sie die folgenden Gleichungen erfüllen:

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-^L = — = α und L3 I_n * LA I_JA < Φ_ο I_n LA

wobei a eine reale ganze Zahl ist die größer als 1 ist und Φο eine Flußquantumseinheit gleich 2 χ 10-'⁵ Wb; weiter gekennzeichnet durch eine zweite Vorspannstromeinspeisung, die in Reihe mit der dritten und zweiten asymmetrischen Interferenzschaltung liegt, durch einen vierten eingangsseitigen Steuerstromzuteiler, der elektromagnetisch gekoppelt ist mit den dritten und vierten Induklanzelementen jedes der zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreise, so daß ein durch den vierten eingangsseitigen Steuerstromzuteiler fließender Strom Ströme induziert, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der gleichen Richtung wie und in entgegengesetzter Richtung zu den Strömen fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises, basierend auf einem Vorspannstrom durch den zweiten Vorspannstromzuteiler, fließen, so daß ein Strom durch den vierten eingangsseitigen Steuerstromzuteiler Ströme induziert, die durch die dritten und vierten induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in der entgegengesetzten Richtung zu und in der gleichen Richtung wie die Ströme fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Interferenzschallkreises fließen, und zwar zufolge des Vorspannstromes durch den zweiten Vorspannstrom-Zuführer; weiter gekennzeichnet durch einen fünften eingangsseitigen Steuerstromzubringer, der elektromagnetisch mit dem dritten und vierten Induktanzelement. jedes der zweiten und dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreise gekoppelt ist, so daß ein Strom, der durch den fünften Eingang des zugehörigen Steuerstromzuführers fließt, Ströme induziert, die durch dritte und vierte Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Massenpunkt-Interferenzschaltkreises in der entgegengesetzten Richtung zu und in der gleichen Richtung wie die Ströme fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises fließen, basierend auf dem Vorspannstrom, der durch das zweite Vorspannstromzubringerelement gegeben ist daß ein durch das fünfte eingangsseitige Steuerstromzuführungselement fließender Strom Ströme induziert, die durch das dritte und vierte Induktionselement des dritten asymmetrischen Interferenzschaltkreises in gleiche Richtung wie und in der entgegengesetzten Richtung zu den Strömen fließen, die durch die dritten und vierten Induktanzelemente des dritten asymmetrischen Massenpunkt-Interferenzschaltkreises, basierend auf dem Vorspannstrom, der durch den zweiten Vorspannstromzuteiler gegeben wird, fließen, und gekennzeichnet durch einen zweiten ausgangsseitigen Stromab zweig, der mit einem Anschluß des in Reihe geschalteter, dritten und zweiten asymmetrischen Interferenzschaltkreises verbunden ist wobei der erste ausgangsseitige Stromabzweig des Majoritätslogikschaltkreises ein Ausgangsträgersignal vorgibt in Übereinstimmung mit der Einspeisung eines ersten Eingangssignals zum ersten eingangsseitigen Steuerstromzubringer des Majoritätsschaltkreises, wobei es sich bei den Signalen um Logiksignale handelt und wobei die Einspeisung eines ersten logischen Eingangssignals in den ersten eingangsseitigen Steuerstromzuführer des Majoritätsschaltkreises und den vierten eingangsseitigen Steuerstromzuführer des EXCLUSIV-ODER Gatters und die Einspeisung eines zweiten logischen Eingangssignals in den zweiten eingangsseitigen Steuerstromzuführer des Majoritätsschaltkreises und den fünften

eingangsseitigen Steuerstromzuführer des genannten EXCLUSIV-ODER Gatters erfolgt, und hierdurch der zweite ausgangsseitige Stromabzweig des EXCLUSIV-ODER Kreises ein halbes Additionsausgangssignal in Form eines Logiksignals vorgibt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen logischen iu Schaltkreis mit Josephson Verbindungen, insbesondere auf einen logischen Schaltkreis mit wenigstens einem asymmetrischen Quantum Interferenzschaltkreis mit einem asymmetrischen Basisstrom bei entsprechenden Steuerstromcharakteristika.

Logische Gatter in Schaltkreisen mit hoher Induktivität benutzen bisher einen symmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreis (symmetrical quantum interferometrie circuit), wie er beispielsweise in der Druckschrift »Applied Physics Letters« 25, No. 7 auf den Seiten 426 bis 428 (1974) unter der Überschrift »Experimental observation of the switching transients resulting from single flux quantum transitions in superconductiong Josephson devices« von P. Gueret beschrieben worden ist. In einem solchen sogenannten symmetrischen Massepunkt-Interferenzschaltkreis ist eine Josephson Verbindung J\ mit einem Schwellenwertstrom Ip in Reihe geschaltet mit einem Induktanzelement mit einer Induktivität L\ und ein weiterer Josephson Übergang J₂ mit einem Schwellenwertstronv/ß ist in Reihe verbunden mit einer Induktanz der Induktivität L₂. Diese beiden reihegeschalteten Schaltkreise liegen parallel zueinander und werden von einem Basisstrom Ib gespeist Ein Steuerstrom Ic fließt durch die beiden reihegeschalteten Induktanzelemente, die elektromagnetisch mittels der Induktionen L\, Li gekoppelt sind. Hierbei sind folgende Gleichungen gegeben: