JP6563239B2 - 断熱型量子磁束パラメトロン回路及び超伝導論理素子 - Google Patents
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Description
本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、超伝導トランスは、一対のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンによって複数の形態で構成することができる。
超伝導トランスの第1の構成において、一対のトランス部の配置は、電源線に対して同一側において電源線の方向に沿って平行であり、且つ、一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向である。これによって、一対のトランス部の各配線に誘導される電流の方向を、配線が結合する結合部に対して互いに逆方向とする。
超伝導トランスの第2の構成において、一対のトランス部の配置、及び一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、電源線を挟んで反対側において点対称である。
超伝導トランスの第3の構成において、一対のトランス部の配置は、電源線を挟んで同一側において電源線の方向に対して同位置に積層して成り、且つ、一対のトランス部の配線パターンは、電源線を含む面に対して左右反転の関係にある。
本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いることによって複数種類の超伝導論理素子を構成することができる。
超伝導論理素子の第1の形態は、バッファの機能を奏する形態である。バッファ論理素子は、中心ノードに入力線を接続し、一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から入力端の電流方向と同方向の電流を出力するように構成する。この構成により、入力線の電流方向と同方向の電流を出力するバッファ機能を奏することができる。
超伝導論理素子の第2の形態は、NOTの機能を奏する形態である。NOT論理素子は、中心ノードに入力線を接続し、一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から入力線の電流方向と反対方向の電流を出力するように構成する。この構成により、入力線の電流方向と逆方向の電流を出力するNOT機能を奏することができる。
超伝導論理素子の第3の形態は、定数の機能を奏する形態である。定数論理素子は、中心ノードに入力線を非接続とし、超伝導量子干渉素子(SQUID)の構成を中心ノードに対して非対称な構成、及び/又は超伝導トランスを非対称な構成とすることで形成することができる。この構成により、電源線に励起電流を印加した励起時において、常に一定方向の電流を出力する定数機能を奏することができる。
超伝導論理素子の第4の形態は、前記した第1〜第3の超伝導論理素子で示したバッファ論理素子、NOT論理素子、定数論理素子等の間を接続するブランチ機能を奏する形態である。ブランチ論理素子は、複数入力に対して多数決論理を出力する機能、あるいは一入力を複数の出力に分割する機構を奏する。ブランチ論理素子は二本の配線からなる配線部を複数個備え、これら複数個の配線部の一方を接続する。各配線部において、二つの配線は各端部を接続し、両接続端の一方を入力端とし他方を出力端とする。二つの配線は、電源線の電流によって誘起される両配線の電流の向きを二つの配線の結合部に対して逆方向とし、電源線の電流によって両配線に誘起される電流を互いに相殺させる。
図1は本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の概略構成を説明するための等価回路である。なお、図1に示す等価回路は、バッファの超伝導論理素子を構成する断熱型量子磁束パラメトロン回路の例を示し、図1(b)は図1(a)において電源線とトランス部の配線との間の磁気結合が抑制された状態を示している。また、図2は本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の電流状態を説明するための図である。
超伝導トランスの第1の構成について図3,4を用いて説明する。図3(a),(b),(c)は第1の構成のトランス部の配置を説明するための概略図であり、図4(a),(b)はトランス部の配線パターンを説明するための概略図である。
断熱型量子磁束パラメトロン回路は、論理素子を断熱的に動作させている。断熱的動作は、ジョセフソン接合の超伝導位相をゆっくりと断熱変化させることで低消費エネルギー化を可能としている。
超伝導トランスの第2の構成について図7を用いて説明する。図7は第2の構成のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンを説明するための概略図であり、図7(a)図7(b)、及び図7(c)はそれぞれ異なる視点から見た状態を示している。図7(c)は上方から見た状態を示している。なお、図7ではグランドプレンは図示していないが、図3に示した第1の構成と同様に、断熱型量子磁束パラメトロン回路の下方にグランドプレンを設ける。
超伝導トランスの第3の構成について図8を用いて説明する。図8は第3の構成のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンを説明するための概略図であり、図8(a)、図8(b)、及び図8(c)は異なる視点から見た状態を示している。図8(c)は上方から見た状態を示している。
断熱型量子磁束パラメトロン回路は電流方向に対して"1"及び"0"を対応させることで論理演算を行うことができ、入力信号に対する出力信号の出力状態によってバッファ、NOT、定数、及びブランチ(分岐)の各論理機能を奏する超伝導論理素子を構成することができる。
バッファ論理素子はバッファの機能を備える超伝導論理素子であり、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子(SQUID)の中心ノードに入力信号を入力し、超伝導トランスの二次側配線に出力端から出力信号を出力する構成において、超伝導トランスのトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から出力される出力電流の電流方向が入力端に入力される入力電流の電流方向と同方向となるように構成する。
NOT論理素子11は、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子(SQUID)の中心ノードに入力信号を入力し、超伝導トランスの一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から出力される出力電流の電流方向を入力端に入力される入力電流の電流方向と反対方向となるように構成する。図9はNOT論理素子の構成例を説明するための図である。
定数論理素子12は、バッファを構成する超伝導論理素子において、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子(SQUID)のレイアウトを中心ノードに対して非対称とすると共に、中心ノードには入力端を設けず、入力信号を非入力とする。図10は構成例を説明するための図である。
ブランチ論理素子13は、超伝導論理素子間を接続する論理素子であり、一入力信号を分割して複数の出力信号を出力する機能、あるいは複数の入力信号を多数決論理で出力する機能である。バッファ論理素子、NOT論理素子、定数論理素子の出力信号を入力し、一入力を複数出力に分岐する機能、あるいは複数の超伝導論理素子からの複数入力を多数決論理によって一出力とする機能を奏する。
x=MAJ(a,b,c)=ab+bc+ca
x=MAJ(a*,1,c*)=(ab)*
なお、"*"は符号反転を表している。
x=y=z=a
1a 入力端
1b 出力端
2 超伝導量子干渉素子
2a,2b ジョセフソン接合
2c 中心ノード
2d 超伝導リング
2e シャント抵抗
3 電源線
4 超伝導トランス
4in 入力端
4out 出力端
4A,4B トランス部
4a,4Aa,4Ba 一次側配線
4b,4Ab,4Bb 二次側配線
10 バッファ論理素子
11 NOT論理素子
12 定数論理素子
13 ブランチ論理素子
13A,13B 配線
13a 入力端
13b 結合部
13c 出力端
21 多数決論理回路(MAJ)
22 論理回路
23 分割論理回路
101 断熱型量子磁束パラメトロン回路
102 超伝導量子干渉素子
102a,102b ジョセフソン接合
102c 中心ノード
102d 超伝導リング
103 電源線
104 超伝導トランス
104a 一次側配線
104b 二次側配線
104c 出力端
110 超伝導シールド
Claims (14)
- 超伝導リングに中心ノードを挟んで二つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子(SQUID)と、前記超伝導量子干渉素子に磁束を誘起させる電源線と、前記超伝導量子干渉素子の電流を出力する超伝導トランスとを備えた断熱型量子磁束パラメトロン回路であって、
前記超伝導トランスは、それぞれ一次側配線及び二次側配線を有する一対のトランス部を備え、
前記一対のトランス部は、
前記一次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両入力端を前記超伝導量子干渉素子の中心ノードに接続すると共に、前記電源線との磁気結合によって一次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を前記一対の配線の入力端に対して互いに逆方向とし、
前記二次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両出力端を前記断熱型量子磁束パラメトロン回路の出力端に接続すると共に、前記電源線との磁気結合によって二次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を前記一対の配線の出力端に対して互いに逆方向とすることを特徴とする、断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線に対して同一側において前記電源線の方向に沿って平行であり、且つ、
前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向であることを特徴とする、請求項1に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線に対して同一側において前記電源線の方向に沿って平行であり、且つ、
前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線と直交する直線に対して線対称であることを特徴とする、請求項1に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置、及び前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線を挟んで反対側において点対称であることを特徴とする、請求項1に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線を挟んで同一側において前記電源線の方向に対して同位置に積層して成り、且つ、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記電源線を含む面に対して対称であることを特徴とする、請求項1に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 前記二次側配線のインダクタンスは前記一次側配線のインダクタンスよりも大きいことを特徴とする、請求項1から5の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。
- 前記一次側配線と前記二次側配線との対向配置において、
前記二次側配線の配線長が前記一次側配線の配線長よりも長い、前記二次側配線の配線幅が前記一次側配線の配線幅よりも小さい、又は、前記二次側配線の配線長が前記一次側配線の配線長くかつ前記二次側配線の配線幅が前記一次側配線の配線幅よりも小さいことを特徴とする、請求項1から5の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。 - 請求項1から7の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに、入力端を有する入力線を接続し、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記二次側配線の出力端の電流方向を前記入力端の電流方向とするパターンであり、
前記入力端から入力される入力電流の電流方向と同方向の出力電流を前記二次側配線の出力端から出力するバッファ機能の論理素子を構成することを特徴とする、超伝導論理素子。 - 請求項1から7の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに、入力端を有する入力線を接続し、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記二次側配線の出力端の電流方向を前記入力端の電流方向と反対方向とするパターンであり、
前記入力端から入力される入力電流の電流方向と逆方向の出力電流を前記二次側配線の出力端から出力するNOT機能の論理素子を構成することを特徴とする、超伝導論理素子。 - 請求項1から7の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに入力線を非接続とし、
前記超伝導量子干渉素子(SQUID)の構成を中心ノードに対して非対称とし、前記電源線による励起時に、前記二次側配線の出力端から電流を常時出力する定数機能の論理素子を構成することを特徴とする超伝導論理素子。 - 前記超伝導量子干渉素子(SQUID)の中心ノードに対する非対称な構成は、
面積を異にする二つのジョセフソン接合を備える構成、及び中心ノードを挟む線路長を異にする超伝導リングを備える構成の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項10に記載の超伝導論理素子。 - 請求項1から7の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記超伝導トランスは、一対のトランス部の二次側配線の配線長及び配線幅の少なくとも一方を異ならせた非対称な構成とし、前記電源線による励起時に電流を常時出力する定数機能の論理素子を構成することを特徴とする超伝導論理素子。 - 前記請求項8から12の何れか一つに記載の超伝導論理素子間を接続する超伝導論理素子であって、
二本の配線からなる配線部を複数個備え、
前記配線部は、複数個の配線部の一方を接続し、
各配線部において、二つの配線は各端部を接続し、両接続端の一方を入力端とし他方を出力端とし、
電源線の電流によって誘起される両配線の電流の向きを二つの配線の結合部に対して逆方向とすることを特徴とする超伝導論理素子。 - 前記複数個の配線部の各配線長は等しいことを特徴とする、請求項13に記載の超伝導論理素子。
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