JP2003264458A - Superconducting single magnetic flux quantum multi- input exclusive or circuit - Google Patents

Superconducting single magnetic flux quantum multi- input exclusive or circuit

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JP2003264458A JP2002061425A JP2002061425A JP2003264458A JP 2003264458 A JP2003264458 A JP 2003264458A JP 2002061425 A JP2002061425 A JP 2002061425A JP 2002061425 A JP2002061425 A JP 2002061425A JP 2003264458 A JP2003264458 A JP 2003264458A
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秀一 永沢
Kazuhiro Takahashi
和宏 高橋
Kazunori Miyahara
一紀 宮原
Yoichi Enomoto
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconducting single magnetic flux quantum multi-input exclusive OR circuit which can be operated at high speed without increasing the number of logic stages. <P>SOLUTION: In the conventional superconducting single magnetic flux quantum two input exclusive OR circuit having a function that performs arithmetic operations of exclusive OR to a first input signal and a second input signal and outputs the result to an output end, it is constituted so that it has functions that perform arithmetic operations of exclusive OR to the first, second and third input signals and output the results on the output end by further providing an input circuit for inputting at least one or more third input signals in addition to the first and second input signals and providing the input circuit with a function that delays the phase of the third input signal to the phases of the first and second input signals in a desired time. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温で動作する
超伝導集積回路の基本ゲートに関するものであり、より
詳しくは、少なくとも3つ以上の入力信号に対して排他
的論理和の演算を行う超伝導単一磁束量子多入力排他的
論理和回路に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a basic gate of a superconducting integrated circuit which operates at a cryogenic temperature, and more specifically, performs an exclusive OR operation on at least three or more input signals. The present invention relates to a superconducting single-flux quantum multi-input exclusive OR circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】多入力排他的論理和回路は、例えば、デ
ジタル信号処理回路の基本構成要素である全加算器の基
本ゲートとして使用される。より具体的には、全加算器
は、一般に2個の2進数(加数と被加数)の加算を行う
回路であるが、入力信号としては加数と被加数の同一の
桁の信号と下位の桁からの桁上げ信号の3つの入力信号
の演算を行う必要がある。
2. Description of the Related Art A multi-input exclusive OR circuit is used, for example, as a basic gate of a full adder which is a basic constituent element of a digital signal processing circuit. More specifically, the full adder is a circuit that generally adds two binary numbers (addend and augend), but the input signal is a signal of the same digit as the addend and augend. It is necessary to calculate the three input signals of the carry signal from the lower digit.

【0003】従って、全加算器は、これら3つの信号か
ら加数と被加数の同一桁を演算する回路(SUM回路)
と上位の桁への桁上げ信号を発生する回路(CARRY
回路)とで構成される。SUM回路は、3つの信号(加
数の信号、被加数の信号、下位の桁からの桁上げ信号)
の排他的論理和を演算すれば良い。
Therefore, the full adder is a circuit (SUM circuit) for calculating the same digit of the addend and the augend from these three signals.
And a circuit that generates a carry signal to the upper digit (CARRY
Circuit) and. The SUM circuit has three signals (addend signal, addend signal, carry signal from lower digits).
It is sufficient to calculate the exclusive OR of

【0004】従来、2つの入力信号の排他的論理和をと
る単一磁束量子(Single Flux Quantum、SFQとも呼ぶ)
を利用した超伝導回路(文献:IEEE Trans. on Applied
Superconductivity. Vol. 1, p. 10, March 1991のFi
g.13)は良く知られているが、3つ以上の入力信号の排
他的論理和を一度にとる回路はなかった。そのため、多
入力の排他的論理和の論理演算を行うために、上記2入
力の排他的論理和回路を多段に組み合わせて構成する方
式が知られている。
Conventionally, a single flux quantum (also referred to as SFQ) that takes an exclusive OR of two input signals
Superconducting circuit using the (Reference: IEEE Trans. On Applied
Superconductivity. Vol. 1, p. 10, March 1991 Fi
Although g.13) is well known, there was no circuit that takes the exclusive OR of three or more input signals at once. Therefore, a method is known in which the two-input exclusive-OR circuits are combined in multiple stages to perform a logical operation of a multiple-input exclusive-OR.

【0005】図7に、一例として、この従来の技術によ
る3入力の排他的論理和回路のブロック構成図を、図8
に5入力の排他的論理和回路のブロック構成図を示す。
これらの多入力の排他的論理和回路は、2入力の排他的
論理和回路(2XOR)を基本ブロックとして構成され
ている。従って、これらの多入力の排他的論理和回路の
動作を説明するために、その基本ブロックである2入力
の排他的論理和回路(2XOR)の動作を最初に説明す
る。
As an example, FIG. 7 shows a block diagram of a three-input exclusive OR circuit according to this conventional technique, and FIG.
The block diagram of the exclusive OR circuit of 5 inputs is shown in FIG.
These multi-input exclusive OR circuits are configured with a 2-input exclusive OR circuit (2XOR) as a basic block. Therefore, in order to explain the operation of these multi-input exclusive OR circuits, the operation of the basic block, the 2-input exclusive OR circuit (2XOR), will be described first.

【0006】図9に、従来の技術による超伝導単一磁束
量子2入力排他的論理和回路の等価回路図を示す。ま
た、この2入力の排他的論理和の入出力の論理状態を記
した真理値表を図10に示す。
FIG. 9 shows an equivalent circuit diagram of a conventional superconducting single-flux-quantum 2-input exclusive OR circuit. Further, FIG. 10 shows a truth table in which the logical states of the inputs and outputs of the exclusive OR of the two inputs are described.

【0007】この回路は、複数個のジョセフソン接合
(J1A、J2A、J1B、J2B、J3、J4、J
5)、2個のインダクタンス(L1A、L1B)、信号
入力端(InA、InB)、信号出力端(OUT)、及
び直流バイアス入力端(Ib1、Ib2)とで構成され
ている。2入力の排他的論理和は、図10の真理値表に
示したように、一方の入力信号のみが”1”の時、出力
が”1”になり、両方の入力信号が”0”又は”1”の
時は出力信号は”0”になる。
This circuit includes a plurality of Josephson junctions (J1A, J2A, J1B, J2B, J3, J4, J).
5) Two inductances (L1A, L1B), a signal input end (InA, InB), a signal output end (OUT), and a DC bias input end (Ib1, Ib2). As shown in the truth table of FIG. 10, when the input signal of only one is “1”, the exclusive OR of two inputs becomes “1”, and both input signals are “0” or When it is "1", the output signal is "0".

【0008】この論理演算を実現するために、この回路
では、単一磁束量子を保持できる2つの超伝導ループ
(J1A、J2A、L1A、J3、J4からなる超伝導
ループ1とJ1B、J2B、L1B、J3、J4からな
る超伝導ループ2)が組合わさった構成になっており、
2つの超伝導ループのどちらか一方にだけには単一磁束
量子が保持されるが、両方の超伝導ループには同時に2
個の単一磁束量子は保持されないように設計されてい
る。
In order to realize this logical operation, this circuit uses two superconducting loops (J1A, J2A, L1A, J3, and J4) capable of holding a single magnetic flux quantum and J1B, J2B, and L1B. , J3, J4 superconducting loop 2) are combined,
Only one of the two superconducting loops holds a single flux quantum, but both superconducting loops have two
The single flux quanta are designed not to be retained.

【0009】従って、信号入力端InA又はInBのど
ちらか一方にだけSFQパルスが入力されると、入力さ
れた側の超伝導ループに単一磁束量子が保持され、ジョ
セフソン接合J4がバイアスされた状態(単一磁束量子
が保持されたことにより、超伝導ループに永久電流が流
れ、超伝導ループの一部であるジョセフソン接合J4に
はこの永久電流が流れた状態になっている。)になるた
め、その後クロック信号(Clock)が入力される
と、ジョセフソン接合J4が磁束量子転移して出力端に
SFQパルスを発生させる。
Therefore, when the SFQ pulse is input to only one of the signal input terminals InA or InB, the single flux quantum is held in the superconducting loop on the input side, and the Josephson junction J4 is biased. The state (a single magnetic flux quantum is held, a permanent current flows in the superconducting loop, and this permanent current flows in the Josephson junction J4, which is a part of the superconducting loop). Therefore, when the clock signal (Clock) is input thereafter, the Josephson junction J4 causes the magnetic flux quantum transfer to generate the SFQ pulse at the output end.

【0010】信号入力端InAとInBのどちらにもS
FQパルスが入力されないと、超伝導ループには単一磁
束量子は保持されないため、ジョセフソン接合J4もバ
イアス状態にならない。そのため、その後クロック信号
が入力してもジョセフソン接合J4は磁束量子転移せ
ず、出力端にSFQパルスを発生しない。
S is applied to both the signal input terminals InA and InB.
If the FQ pulse is not input, the single flux quantum is not held in the superconducting loop, so that the Josephson junction J4 is not biased. Therefore, even if a clock signal is subsequently input, the Josephson junction J4 does not undergo the flux quantum transition and the SFQ pulse is not generated at the output end.

【0011】信号入力端InAとInBの両方にSFQ
パルスが入力されると、最初に一方の超伝導ループに単
一磁束量子が保持されて超伝導ループに永久電流が流れ
るが、その後入力されたSFQパルスによりもう一方の
超伝導ループにも単一磁束量子を保持しようとする。し
かし、この時すでに最初のSFQパルスにより超伝導電
流が流れているため、電流が足し合わされてジョセフソ
ン接合J3に流れ込み、ジョセフソン接合J3は磁束量
子転移して超伝導ループに保持していた単一磁束量子を
排除する。このため、ジョセフソン接合J4はバイアス
状態ではなくなるため、その後クロックパルスが入力さ
れても磁束量子転移せず、出力端にSFQパルスを発生
しない。
SFQ is applied to both the signal input terminals InA and InB.
When a pulse is input, a single magnetic flux quantum is first held in one superconducting loop and a persistent current flows in the superconducting loop. Try to hold the magnetic flux quantum. However, at this time, since the superconducting current has already flowed due to the first SFQ pulse, the currents are added and flow into the Josephson junction J3, and the Josephson junction J3 undergoes the flux quantum transition and is held in the superconducting loop. Eliminate one magnetic flux quantum. Therefore, since the Josephson junction J4 is not in the bias state, even if a clock pulse is input thereafter, the magnetic flux quantum transfer does not occur and the SFQ pulse is not generated at the output end.

【0012】以上の動作により、図10の真理値表に示
したような2入力の排他的論理和の演算を行うことがで
きる。
With the above operation, it is possible to perform the exclusive OR operation of two inputs as shown in the truth table of FIG.

【0013】次に、再度図7及び図8を参照して、超伝
導単一磁束量子多入力排他的論理和回路の動作を簡単に
説明する。3入力の排他的論理和は、2入力の排他的論
理和回路を図7の様に2段に接続し、最初に入力信号I
nAと入力信号InBの排他的論理和を2入力排他的論
理和回路(2XOR1)で演算し、その出力信号と入力
信号InCとの排他的論理和を2入力排他的論理和回路
(2XOR2)で演算することで得ることが出来る。
Next, referring again to FIGS. 7 and 8, the operation of the superconducting single-flux quantum multi-input exclusive OR circuit will be briefly described. As for the 3-input exclusive OR, the 2-input exclusive OR circuit is connected in two stages as shown in FIG.
The exclusive OR of nA and the input signal InB is calculated by the 2-input exclusive OR circuit (2XOR1), and the exclusive OR of the output signal and the input signal InC is calculated by the 2-input exclusive OR circuit (2XOR2). It can be obtained by calculation.

【0014】5入力の排他的論理和は、2入力の排他的
論理和回路を図8の様に4段に接続し、最初に入力信号
InAと入力信号InBの排他的論理和を2入力排他的
論理和回路(2XOR1)で演算し、その出力信号と入
力信号InCとの排他的論理和を2入力排他的論理和回
路(2XOR2)で演算し、その出力信号と入力信号I
nDとの排他的論理和を2入力排他的論理和回路(2X
OR3)で演算し、その出力信号と入力信号InEとの
排他的論理和を2入力排他的論理和回路(2XOR4)
で演算することで得ることが出来る。
As for the exclusive OR of 5 inputs, an exclusive OR circuit of 2 inputs is connected in 4 stages as shown in FIG. 8, and first, an exclusive OR of the input signal InA and the input signal InB is exclusive by 2 inputs. Is calculated by the logical OR circuit (2XOR1), the exclusive OR of the output signal and the input signal InC is calculated by the 2-input exclusive OR circuit (2XOR2), and the output signal and the input signal I are calculated.
2D exclusive OR circuit (2X
OR3), and the exclusive OR of the output signal and the input signal InE is 2-input exclusive OR circuit (2XOR4).
It can be obtained by calculating with.

【0015】この様に、入力信号の個数に応じて2入力
の排他的論理和回路を多段に接続することで、多入力の
超伝導単一磁束量子排他的論理和回路を構成することが
出来る。
As described above, a multi-input superconducting single-flux-quantum exclusive-OR circuit can be constructed by connecting two-input exclusive-OR circuits in multiple stages according to the number of input signals. .

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理和回路
には、次のような問題点がある。即ち、多入力の排他的
論理和回路を構成するために、2入力の排他的論理和回
路を多段に接続しているため、論理段数が増大して全体
としての高速動作が困難である。
However, the conventional superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit described above has the following problems. That is, since two-input exclusive-OR circuits are connected in multiple stages in order to form a multi-input exclusive-OR circuit, the number of logical stages increases and high-speed operation as a whole is difficult.

【0017】また、2入力の排他的論理和回路の各段に
クロック信号を供給する必要があり、入力信号数に応じ
てクロック入力信号数が増大するという問題点もある。
Further, it is necessary to supply a clock signal to each stage of the 2-input exclusive OR circuit, which causes a problem that the number of clock input signals increases in accordance with the number of input signals.

【0018】さらに、2入力の排他的論理和回路を多段
に接続しているため回路規模が大きくなり、消費電力も
増大するという問題点もある。
Further, since the two-input exclusive OR circuits are connected in multiple stages, there is a problem that the circuit scale becomes large and power consumption also increases.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】従って、本発明の目的
は、上記従来の技術が有する問題点を解決する排他的論
理和回路を提供する。即ち、本発明は、論理段数を増や
さず高速に動作可能な超伝導単一磁束量子多入力排他的
論理和回路を提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide an exclusive OR circuit which solves the problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit that can operate at high speed without increasing the number of logic stages.

【0020】上記目的を達成するために、本発明では、
第1の信号入力端と第2の信号入力端及び信号出力端を
有し、複数個のジョセフソン接合と複数個のインダクタ
ンスとで構成され、前記第1及び第2の信号入力端にそ
れぞれ入力される第1の入力信号と第2の入力信号に対
して排他的論理和の演算を行い、その結果を前記信号出
力端に出力する機能を有する従来の超伝導単一磁束量子
排他的論理和回路に於いて、前記第1及び第2の入力信
号に加えてさらに少なくとも1個以上の第3の入力信号
を入力するための入力回路を具備し、前記入力回路が前
記第1及び第2の入力信号の位相に対して所望の時間だ
け第3の入力信号の位相を遅延させる機能を有すること
により、前記第1と第2及び第3の入力信号に対して排
他的論理和の演算を行い、その結果を前記出力端に出力
する機能を有するようにした。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
It has a first signal input end, a second signal input end and a signal output end, is composed of a plurality of Josephson junctions and a plurality of inductances, and is input to the first and second signal input ends, respectively. A conventional superconducting single-flux-quantum exclusive OR having a function of performing an exclusive OR operation on the first input signal and the second input signal, and outputting the result to the signal output terminal. The circuit further comprises an input circuit for inputting at least one or more third input signals in addition to the first and second input signals, the input circuit including the first and second input signals. By having a function of delaying the phase of the third input signal by a desired time with respect to the phase of the input signal, an exclusive OR operation is performed on the first, second and third input signals. , Has a function of outputting the result to the output terminal Was Unishi.

【0021】ここで、前記入力回路の遅延機能は、ジョ
セフソン接合とインダクタンスで構成されるジョセフソ
ン伝送線路の信号伝搬遅延を用いることで実現すること
ができる。
Here, the delay function of the input circuit can be realized by using a signal propagation delay of a Josephson transmission line composed of a Josephson junction and an inductance.

【0022】あるいは、前記入力回路の遅延機能を、マ
イクロストリップラインの信号伝搬遅延を用いることで
実現することもできる。
Alternatively, the delay function of the input circuit can be realized by using the signal propagation delay of the microstrip line.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】最初に、従来の技術によって3入
力の排他的論理和回路を構成した場合の動作について説
明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, the operation when a three-input exclusive OR circuit is constructed by the conventional technique will be described.

【0024】図9に示した従来の技術の2入力の排他的
論理和回路は、2つの信号入力端にSFQパルスが時間
差をもって入力されても、或いは、同時に入力されても
正常な動作が可能である。上記従来の技術の説明では、
2つの信号入力端にSFQパルスが、順番に時間差をも
って入力された場合について説明した。
The prior art two-input exclusive OR circuit shown in FIG. 9 can operate normally even if SFQ pulses are inputted to the two signal input terminals with a time difference or simultaneously. Is. In the above description of the conventional technique,
The case where the SFQ pulses are sequentially input to the two signal input terminals with a time difference has been described.

【0025】この場合は、第1のSFQパルスが信号入
力端InAから超伝導ループ1(J1A、J2A、L1
A、J3、J4から構成されるループ)に入力されるこ
とで、まず超伝導ループ1に単一磁束量子が保持され
る。その後、第2のSFQパルスが信号入力端InBか
ら超伝導ループ2(J1B、J2B、L1B、J3、J
4から構成されるループ)に入力された時点で、ジョセ
フソン接合J3が磁束量子転移することで超伝導ループ
に保持されていた単一磁束量子が排除される。この一連
の動作により、超伝導ループの量子状態は初期状態(状
態“0”)に戻る(リセット)。
In this case, the first SFQ pulse is transmitted from the signal input terminal InA to the superconducting loop 1 (J1A, J2A, L1).
A single magnetic flux quantum is first retained in the superconducting loop 1 by being input to the loop composed of A, J3, and J4). After that, the second SFQ pulse is transmitted from the signal input terminal InB to the superconducting loop 2 (J1B, J2B, L1B, J3, J).
4), the Josephson junction J3 undergoes a flux quantum transition, so that the single flux quantum held in the superconducting loop is eliminated. By this series of operations, the quantum state of the superconducting loop returns to the initial state (state “0”) (reset).

【0026】一方、2つの信号入力端にSFQパルスが
同時に入力されると、最初からジョセフソン接合J3が
磁束量子転移するだけで、超伝導ループの量子状態は初
期状態(状態“0”)のままで変化しない。どちらの場
合も最終的な量子状態が同じになる。従って、2入力の
場合は、SFQパルスが入力される順番は問題にならな
かった。
On the other hand, when the SFQ pulse is simultaneously input to the two signal input terminals, the quantum state of the superconducting loop is in the initial state (state "0") only by the magnetic flux quantum transition of the Josephson junction J3 from the beginning. It doesn't change. In both cases, the final quantum states are the same. Therefore, in the case of two inputs, the order in which SFQ pulses are input did not matter.

【0027】しかし、この従来の2入力の排他的論理和
回路を単純に3入力にしただけでは、正常な3入力の排
他的論理和の論理演算を行うことが出来なかった。なぜ
なら、3つのSFQパルスが順番に入力された場合と同
時に入力された場合では、超伝導ループの最終的な量子
状態が異なってしまうからである。3つのSFQパルス
が順番に入力される場合は、超伝導ループの量子状態
は、第1のSFQパルスの入力により初期状態
(“0”)から“1”状態になり、第2のSFQパルス
の入力により“1”状態から“0”状態にリセットさ
れ、第3のSFQパルスの入力により再度“0”状態か
ら“1”状態になる。このため、その後、クロック信号
が入力されると、出力端にSFQパルスを発生する。こ
の計算結果は正常なものである。
However, if the conventional 2-input exclusive-OR circuit is simply made to have 3 inputs, a normal logical operation of 3-input exclusive-OR cannot be performed. This is because the final quantum state of the superconducting loop is different when the three SFQ pulses are sequentially input and at the same time. When three SFQ pulses are sequentially input, the quantum state of the superconducting loop changes from the initial state (“0”) to the “1” state by the input of the first SFQ pulse, and the quantum state of the second SFQ pulse The "1" state is reset to the "0" state by the input, and the "0" state is changed to the "1" state again by the input of the third SFQ pulse. Therefore, when the clock signal is input thereafter, the SFQ pulse is generated at the output end. The result of this calculation is normal.

【0028】一方、3つのSFQパルスが同時に入力さ
れる場合は、最初からジョセフソン接合J3が磁束量子
転移するだけで、超伝導ループの量子状態は初期状態
(状態“0”)のままで変化しない。この場合の計算結
果は正常なものとはならない。或いは、1つのSFQパ
ルスが入力された後、残りの2つのSFQパルスが同時
に入力された場合は、超伝導ループの量子状態は、まず
第1のSFQパルスの入力により初期状態(“0”)か
ら“1”状態になり、その後、第2及び第3のSFQパ
ルスが同時に入力されることにより“1”状態から
“0”状態にリセットされる。この場合も、超伝導ルー
プの最終状態は“0”状態になり、3つのSFQパルス
が順番に入力される場合の最終の量子状態(“1”状
態)と異なってしまい誤動作になる。
On the other hand, when three SFQ pulses are simultaneously input, the Josephson junction J3 only undergoes magnetic flux quantum transition from the beginning, and the quantum state of the superconducting loop changes in the initial state (state "0"). do not do. The calculation result in this case is not normal. Alternatively, when one SFQ pulse is input and the remaining two SFQ pulses are input at the same time, the quantum state of the superconducting loop is initially in the initial state (“0”) due to the input of the first SFQ pulse. To the "1" state, and then the second and third SFQ pulses are simultaneously input to reset the "1" state to the "0" state. Also in this case, the final state of the superconducting loop becomes the "0" state, which is different from the final quantum state ("1" state) when three SFQ pulses are sequentially input, resulting in malfunction.

【0029】従って、本発明の特徴は、少なくとも1つ
以上の第3の入力信号が、第1及び第2の入力信号に対
して所望の時間差をもって超伝導ループに入力されるこ
とを保証する手段を有する点にある。これにより、少な
くとも3つ以上の入力信号の排他的論理和の演算を一度
に1クロックで実行することができる。
Therefore, a feature of the invention is a means for ensuring that at least one or more third input signals are input to the superconducting loop with a desired time difference with respect to the first and second input signals. Is in the point of having. As a result, it is possible to execute the exclusive OR operation of at least three or more input signals in one clock at a time.

【0030】次に、本発明の第1の実施形態について、
図1ないし図3を参照して説明する。
Next, regarding the first embodiment of the present invention,
Description will be made with reference to FIGS. 1 to 3.

【0031】図1は、本発明の超伝導単一磁束量子多入
力排他的論理和回路の第1の実施形態を示す3入力の排
他的論理和回路の等価回路図である。図2は、この超伝
導3入力排他的論理和回路の真理値表である。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a 3-input exclusive OR circuit showing a first embodiment of a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention. FIG. 2 is a truth table of the superconducting 3-input exclusive OR circuit.

【0032】まず、本回路の構成と機能について説明す
る。本回路は、複数個のジョセフソン接合(J1A、J
2A、J1B、J2B、J3、J4、J5)、2個のイ
ンダクタンス(L1A、L1B)、信号入力端(In
A、InB)、信号出力端(OUT)、及び直流バイア
ス入力端(Ib1、Ib2)とで構成された従来の2入
力排他的論理和回路の構成に加えて、第3の信号入力端
(InC)とジョセフソン接合(J1C、J2C、Jd
1、Jd2)とインダクタンス(L1C、Ld1、Ld
2)及び直流バイアス入力端(Ib3、Ib4、Ib
5)が接続された構成になっている。ジョセフソン接合
(Jd1、Jd2)とインダクタンス(Ld1、Ld
2)及び直流バイアス入力端(Ib4、Ib5)で構成
されたジョセフソン伝送ライン(JTL)は、信号入力
端(InC)に入力された信号を他の信号入力端(In
A、InB)に入力された信号に対して所望の時間だけ
遅延させる機能を持つ。
First, the structure and function of this circuit will be described. This circuit consists of multiple Josephson junctions (J1A, J1
2A, J1B, J2B, J3, J4, J5), two inductances (L1A, L1B), signal input end (In
A, InB), a signal output terminal (OUT), and a DC bias input terminal (Ib1, Ib2), in addition to the structure of the conventional 2-input exclusive OR circuit, a third signal input terminal (InC). ) And Josephson junction (J1C, J2C, Jd
1, Jd2) and inductance (L1C, Ld1, Ld
2) and DC bias input terminals (Ib3, Ib4, Ib)
5) is connected. Josephson junction (Jd1, Jd2) and inductance (Ld1, Ld
2) and the DC bias input terminals (Ib4, Ib5) are used for the Josephson transmission line (JTL), the signal input to the signal input terminal (InC) is transferred to another signal input terminal (InC).
A, InB) has a function of delaying a signal input thereto by a desired time.

【0033】3入力の排他的論理和は、図2の真理値表
に示したように、入力信号が“1”である個数が、奇数
の場合は出力が“1”になり、入力信号が“1”である
個数が、ゼロ又は偶数の場合は出力が“0”になる。言
いかえれば、3つの信号入力端(InA、InB、In
C)のいずれか1つに“1”の信号が入力された時と、
3つ全てに“1”の信号が入力された時に、出力が”
1”になり、3つの入力信号が”0”又は2つ入力信号
のみが”1”の時は出力信号は”0”になる。
In the exclusive OR of three inputs, as shown in the truth table of FIG. 2, when the number of input signals being "1" is odd, the output becomes "1", and the input signal becomes When the number of "1" is zero or even, the output is "0". In other words, three signal input terminals (InA, InB, In
When a "1" signal is input to any one of C),
When the "1" signal is input to all three, the output is "
When the three input signals are "0" or only the two input signals are "1", the output signal is "0".

【0034】この論理演算を実現するために、この回路
では、単一磁束量子を保持できる3つの超伝導ループ
(J1A、J2A、L1A、J3、J4からなる超伝導
ループ1とJ1B、J2B、L1B、J3、J4からな
る超伝導ループ2、J1C、J2C、L1C、J3、J
4からなる超伝導ループ3)が組合わさった構成になっ
ており、3つの超伝導ループのいずれか1つだけには単
一磁束量子が保持されるが、3つの超伝導ループには同
時にそれぞれ単一磁束量子は保持されないように設計さ
れている。
In order to realize this logical operation, in this circuit, three superconducting loops (superconducting loop 1 consisting of J1A, J2A, L1A, J3, J4 and J1B, J2B, L1B) capable of holding a single flux quantum are used. , J3, J4 superconducting loop 2, J1C, J2C, L1C, J3, J
The superconducting loop 3) composed of 4 is combined, and only one of the three superconducting loops holds a single magnetic flux quantum. The single flux quantum is designed not to be retained.

【0035】加えて、本発明の特徴である遅延機能を有
する入力回路は、ジョセフソン伝送線路(JTL)で構
成されており、信号入力端(InC)に入力された第3
の入力信号は、ジョセフソン伝送線路(JTL)の伝搬
遅延時間だけ遅れて超伝導ループ3に入力される。
In addition, the input circuit having the delay function, which is a feature of the present invention, is composed of the Josephson transmission line (JTL), and the third input circuit is input to the signal input terminal (InC).
Is input to the superconducting loop 3 with a delay of the propagation delay time of the Josephson transmission line (JTL).

【0036】図3に、本実施例の超伝導単一磁束量子3
入力排他的論理和回路の動作波形の概略図を示す。この
動作波形に基づいて、この回路の動作を説明する。図に
おいて、上から信号入力端InA、InB、InCに入
力される入力信号、クロック信号(Clock)、及び
出力信号(OUT)を示している。横軸は、時間軸であ
る。この回路は、SFQパルスにより論理動作を行う回
路であり、入力信号、クロック信号、及び出力信号は全
てSFQパルスである。SFQパルス論理の回路では、
クロックパルス間にSFQパルスが入力された状態を信
号の”1”状態、クロックパルス間にSFQパルスが入
力されない状態を信号の”0”状態としている。
FIG. 3 shows the superconducting single magnetic flux quantum 3 of this embodiment.
The schematic of the operation waveform of an input exclusive OR circuit is shown. The operation of this circuit will be described based on this operation waveform. In the figure, the input signal, the clock signal (Clock), and the output signal (OUT) input to the signal input ends InA, InB, and InC are shown from the top. The horizontal axis is the time axis. This circuit is a circuit that performs a logical operation with an SFQ pulse, and an input signal, a clock signal, and an output signal are all SFQ pulses. In the SFQ pulse logic circuit,
A state in which the SFQ pulse is input between clock pulses is a signal "1" state, and a state in which no SFQ pulse is input between clock pulses is a signal "0" state.

【0037】また、各入力信号のSFQパルスに関して
は、入力信号が、対応するそれぞれの超伝導ループに入
力されたタイミングで示されている。
The SFQ pulse of each input signal is shown at the timing when the input signal is input to the corresponding superconducting loop.

【0038】入力信号パターンが、図2の真理値表に対
応したものであり、真理値表の8つの論理状態((1)
〜(8))に対応した動作波形を示している。クロック
パルス間に入力された入力信号により、超伝導ループの
量子状態が変化し、クロックパルスが入力された時点で
その時の超伝導ループの量子状態に応じて出力端(OU
T)にSFQパルスが発生する。この時同時に超伝導ル
ープの量子状態は初期状態”0”にリセットされる。言
い換えれば、クロックパルスが入力される前の入力信号
パターンに対応して、クロック信号が入力された後に出
力パルスが発生する。即ち、1クロック遅れて出力信号
が発生する。
The input signal pattern corresponds to the truth table of FIG. 2, and the eight logic states of the truth table ((1)
(8)) to (8)). The quantum state of the superconducting loop changes according to the input signal input during the clock pulse, and at the time when the clock pulse is input, the output terminal (OU) is output according to the quantum state of the superconducting loop at that time.
An SFQ pulse is generated at T). At the same time, the quantum state of the superconducting loop is reset to the initial state "0". In other words, an output pulse is generated after the clock signal is input, corresponding to the input signal pattern before the clock pulse is input. That is, the output signal is generated with a delay of one clock.

【0039】3つの信号入力端(InA、InB、In
C)に入力される入力信号の”1”状態が2つ以下の場
合は、従来の技術で説明した動作とほぼ同様であるの
で、ここでは入力信号が全て”1”状態である図2の
(8)の論理状態の場合の動作の説明をする。また、前
記3つの入力信号は、ほぼ同時に各信号入力端に入力さ
れるものとする。
Three signal input terminals (InA, InB, In)
When there are two or less "1" states of the input signal input to C), the operation is almost the same as that described in the prior art. Therefore, here, the input signals are all in the "1" state in FIG. The operation in the case of the logic state (8) will be described. In addition, the three input signals are assumed to be input to the respective signal input terminals almost at the same time.

【0040】2つの信号入力端InA、InBにそれぞ
れ同時に、第1のSFQパルス、第2のSFQパルスが
対応する超伝導ループ1、2に入力されると、最初から
ジョセフソン接合J3が磁束量子転移するだけで、超伝
導ループの量子状態は初期状態(状態“0”)のままで
変化しない。従って、ジョセフソン接合J4はバイアス
状態ではない。
When the first SFQ pulse and the second SFQ pulse are simultaneously input to the corresponding superconducting loops 1 and 2 at the two signal input terminals InA and InB, respectively, the Josephson junction J3 is magnetic flux quantum from the beginning. Only the transition occurs, and the quantum state of the superconducting loop remains the initial state (state "0"). Therefore, Josephson junction J4 is not biased.

【0041】その後、ジョセフソン伝送線路(JTL)
の伝搬遅延時間だけ遅延された第3のSFQパルスが対
応する超伝導ループ3に入力されると、超伝導ループ3
に単一磁束量子が保持され、ジョセフソン接合J4は再
度バイアス状態になる。そのため、その後クロックパル
スが入力されると、ジョセフソン接合J4は磁束量子転
移し、出力端にSFQパルスを発生する。
After that, Josephson transmission line (JTL)
When the third SFQ pulse delayed by the propagation delay time is input to the corresponding superconducting loop 3, the superconducting loop 3
The single flux quantum is held at and the Josephson junction J4 is biased again. Therefore, when a clock pulse is input thereafter, the Josephson junction J4 undergoes magnetic flux quantum transition, and an SFQ pulse is generated at the output end.

【0042】ここでは、前記第1のSFQパルスと第2
のSFQパルスが同時に対応する超伝導ループに入力さ
れる場合を示したが、第1のSFQパルスの後に第2の
SFQパルスが入力されてもよい。その場合に動作が正
常に行われるためには、最初に第1のSFQパルスの入
力により超伝導ループに単一磁束量子が保持され、その
後入力された第2のSFQパルスの入力により、超伝導
ループの量子状態がリセットされた後に、第3のSFQ
パルスが入力される必要がある。
Here, the first SFQ pulse and the second SFQ pulse
Although the SFQ pulse of 1 is input to the corresponding superconducting loop at the same time, the second SFQ pulse may be input after the first SFQ pulse. In this case, in order for the operation to be performed normally, the single flux quantum is first retained in the superconducting loop by the input of the first SFQ pulse, and the superconductivity is then input by the input of the second SFQ pulse. After the quantum state of the loop is reset, the third SFQ
A pulse needs to be input.

【0043】なぜなら、もし第2のSFQパルスと第3
のSFQパルスが同時刻に超伝導ループに入力される
と、この時点で第1のSFQパルスにより超伝導ループ
に保持された単一磁束量子が排除されるからである。そ
のため、ジョセフソン接合J4はバイアスされなくなる
ので、その後クロック信号が入力してもジョセフソン接
合J4は磁束量子転移せず、出力端にSFQパルスを発
生しない。この動作は、誤動作である。
Because if the second SFQ pulse and the third SFQ pulse
This is because, when the SFQ pulse of 1 is input to the superconducting loop at the same time, the single magnetic flux quantum retained in the superconducting loop is eliminated by the first SFQ pulse at this time. Therefore, the Josephson junction J4 is not biased, so that even if a clock signal is subsequently input, the Josephson junction J4 does not undergo the flux quantum transition and the SFQ pulse is not generated at the output end. This operation is a malfunction.

【0044】従って、第2のSFQパルスが超伝導ルー
プに入力された後(第1のSFQパルスと第2のSFQ
パルスが同時に入力される場合は、その入力後)、所望
の時間だけ遅らせて超伝導ループに第3のSFQパルス
が入力されないと正常な動作は行われない。より具体的
には、図2の時間tだけ遅れて第3のSFQパルスが
超伝導ループ3に入力される必要がある。時間tは、
第2のSFQパルスが超伝導ループ2に入力されて、超
伝導ループの量子状態をリセットするのに要する時間で
ある。本実施例のジョセフソン伝送ラインは、この時間
だけ第3のSFQパルスが超伝導ループに入力され
る時刻を送らせる機能を持つ。以上の動作により、表1
の真理値表に示したような3入力の排他的論理和の演算
を行うことができる。
Therefore, after the second SFQ pulse is input to the superconducting loop (first SFQ pulse and second SFQ pulse).
When the pulses are input simultaneously, after the input), the normal operation is not performed unless the third SFQ pulse is input to the superconducting loop with a desired delay. More specifically, the third SFQ pulse needs to be input to the superconducting loop 3 with a delay of time t 0 in FIG. Time t 0 is
It is the time required for the second SFQ pulse to be input to the superconducting loop 2 and to reset the quantum state of the superconducting loop. The Josephson transmission line of the present embodiment has a function of sending the time when the third SFQ pulse is input to the superconducting loop for this time t 0 . With the above operation, Table 1
It is possible to perform an exclusive OR operation of three inputs as shown in the truth table of.

【0045】また、図1において、具体的な回路定数は
例えば以下のように設定することが出来る。
Further, in FIG. 1, concrete circuit constants can be set as follows, for example.

【0046】J1A = 0.0926 mA、J1B = 0.0926 mA、J1
C = 0.0926 mA、J2A = 0.0824 mA、J2B = 0.0824 m
A、J2C = 0.0824 mA、J3 = 0.0848 mA、J4 = 0.0781
mA、J5 = 1.123 mA、L1A = 6.5 pH、L1B = 6.5 pH、L
1C = 6.5 pH、Jd1 = Jd2 = 0.1mA、Ld1 = Ld2 = 10p
H。
J1A = 0.0926 mA, J1B = 0.0926 mA, J1
C = 0.0926 mA, J2A = 0.0824 mA, J2B = 0.0824 m
A, J2C = 0.0824 mA, J3 = 0.0848 mA, J4 = 0.0781
mA, J5 = 1.123 mA, L1A = 6.5 pH, L1B = 6.5 pH, L
1C = 6.5 pH, Jd1 = Jd2 = 0.1mA, Ld1 = Ld2 = 10p
H.

【0047】ここで、各ジョセフソン接合は、マッカン
バ定数β=1程度のオーバーダンピング状態で動作する
ように設定されている。また、臨界電流密度2500A
/cmのNb/AlOx/Nb接合を想定した回路シミュレーシ
ョンでは、上記t0として5ピコ秒程度の時間差を設定
すれば十分であることを確認した。この値は、接合特性
等の回路定数に大きく依存する。
Here, each Josephson junction is set to operate in an overdamping state with a Mackamba constant β = 1. Also, the critical current density 2500A
In a circuit simulation assuming a Nb / AlOx / Nb junction of / cm 2 , it was confirmed that it is sufficient to set a time difference of about 5 picoseconds as t0. This value greatly depends on circuit constants such as junction characteristics.

【0048】なお、本実施形態に於いては、3つの信号
入力端(InA、InB、InC)に入力される3つの
入力信号は、本3入力排他的論理和回路の前段の回路に
於いてほぼ同時刻に発生されるものと想定している。S
FQ回路は、マイクロパイプライン的に使用されること
が一般的であるため、この様な想定は妥当なものであ
る。
In the present embodiment, the three input signals input to the three signal input terminals (InA, InB, InC) are the signals in the preceding stage of the present three-input exclusive OR circuit. It is supposed to occur at about the same time. S
Since the FQ circuit is generally used like a micropipeline, such an assumption is valid.

【0049】また、本実施形態では、遅延機能を実現す
るジョセフソン伝送ライン(JTL)として2段構成の
JTL(ジョセフソン接合Jd1とインダクタンスLd
1、ジョセフソン接合Jd2とインダクタンスLd2)
で構成したが、所望の遅延時間tの大小によっては、
1段或いは多段に構成しても同様の効果を得ることが出
来る。また、遅延時間は、ジョセフソン伝送ラインのバ
イアス電流(Ib4、Ib5)の値によっても調整する
ことが出来る。
Further, in this embodiment, a JTL (Josephson junction Jd1 and inductance Ld) having a two-stage structure as a Josephson transmission line (JTL) for realizing the delay function is used.
1, Josephson junction Jd2 and inductance Ld2)
However, depending on the size of the desired delay time t 0 ,
The same effect can be obtained even if it is configured in one or multiple stages. The delay time can also be adjusted by the value of the bias current (Ib4, Ib5) of the Josephson transmission line.

【0050】以降の実施形態において、第3及びそれ以
降のSFQパルスを遅延させるための遅延回路を示して
いるが、上記時間tだけ遅延させることができるもの
であれば、これに限る必要はない。
In the following embodiments, the delay circuits for delaying the third and subsequent SFQ pulses are shown, but if it is possible to delay by the time t 0, it is not necessary to limit to this. Absent.

【0051】以上説明したように、本実施形態の超伝導
単一磁束量子3入力排他的論理和回路により、第3の入
力信号を遅延させて入力することで、3入力の排他的論
理和の演算を1クロックの動作で実現できる。これによ
り、高速化と同時に、従来の技術に比べて素子数の削減
ができるため、回路サイズの縮小及び低消費電力化が実
現できるという効果もある。
As described above, the superconducting single-flux-quantum 3-input exclusive OR circuit of the present embodiment delays and inputs the third input signal to obtain the exclusive OR of 3 inputs. The operation can be realized by one clock operation. As a result, the number of elements can be reduced as compared with the conventional technique at the same time as the speed is increased, so that the circuit size can be reduced and the power consumption can be reduced.

【0052】次に、図4を参照して、本発明の第2の実
施形態の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理和回路に
ついて説明する。
Next, with reference to FIG. 4, a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit according to a second embodiment of the present invention will be described.

【0053】図4は、当該第2の実施形態を示す3入力
の排他的論理和回路の等価回路図である。本回路の構成
は、第1の実施形態に於いて、第3の入力信号を時間的
に遅延させる役割のジョセフソン伝送ライン(JTL)
をマイクロストリップラインで置き換えたものである。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a three-input exclusive OR circuit showing the second embodiment. The configuration of this circuit is, in the first embodiment, a Josephson transmission line (JTL) which plays a role of delaying the third input signal in time.
Is replaced with a microstrip line.

【0054】マイクロストリップラインは、前後のジョ
セフソン接合とインピーダンス整合するように適切な値
の特性インピーダンスを持つように設定される。従っ
て、遅延時間tは、マイクロストリップラインの信号
伝搬時間で決まり、マイクロストリップラインの長さに
比例する。所望の遅延時間は、マイクロストリップライ
ンの長さを調整することで実現できる。
The microstrip line is set to have a characteristic impedance of an appropriate value so as to match the impedance with the Josephson junctions at the front and rear. Therefore, the delay time t 0 is determined by the signal propagation time of the microstrip line and is proportional to the length of the microstrip line. The desired delay time can be realized by adjusting the length of the microstrip line.

【0055】本実施形態の回路の動作は、前記第1の実
施形態と同様である。従って、第1の実施形態と同様の
効果が得られる。さらに、遅延手段にジョセフソン伝送
ラインのようにジョセフソン接合を使用しないため、第
1の実施の形態に比べてさらに素子数の減少が可能で低
消費電力化が実現できるという効果もある。
The operation of the circuit of this embodiment is the same as that of the first embodiment. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, unlike the Josephson transmission line, a Josephson junction is not used for the delay means, so that the number of elements can be further reduced and the power consumption can be reduced as compared with the first embodiment.

【0056】次に、図5及び図6を参照して、本発明の
第3の実施形態の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路について説明する。
Next, a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0057】図5は、当該第3の実施形態を示す5入力
の排他的論理和回路の等価回路図である。図6には、こ
の超伝導5入力排他的論理和回路の真理値表が示されて
いる。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a 5-input exclusive OR circuit showing the third embodiment. FIG. 6 shows a truth table of this superconducting 5-input exclusive OR circuit.

【0058】まず、本回路の構成と機能について説明す
る。本回路は、複数個のジョセフソン接合(J1A、J
2A、J1B、J2B、J3、J4、J5)、2個のイ
ンダクタンス(L1A、L1B)、信号入力端(In
A、InB)、信号出力端(OUT)、及び直流バイア
ス入力端(Ib1、Ib2)とで構成された従来の2入
力排他的論理和回路の構成に加えて、第3の信号入力端
(InC)と遅延回路(Delay1)とジョセフソン
接合(J1C、J2C)とインダクタンス(L1C)及
び直流バイアス入力端(Ib3)、第4の信号入力端
(InD)と遅延回路(Delay2)とジョセフソン
接合(J1D、J2D)とインダクタンス(L1D)及
び直流バイアス入力端(Ib4)、第5の信号入力端
(InE)と遅延回路(Delay3)とジョセフソン
接合(J1E、J2E)とインダクタンス(L1E)及
び直流バイアス入力端(Ib5)とが接続された構成に
なっている。
First, the structure and function of this circuit will be described. This circuit consists of multiple Josephson junctions (J1A, J1
2A, J1B, J2B, J3, J4, J5), two inductances (L1A, L1B), signal input end (In
A, InB), a signal output terminal (OUT), and a DC bias input terminal (Ib1, Ib2), in addition to the structure of the conventional 2-input exclusive OR circuit, a third signal input terminal (InC). ), A delay circuit (Delay1), a Josephson junction (J1C, J2C), an inductance (L1C) and a DC bias input end (Ib3), a fourth signal input end (InD), a delay circuit (Delay2), and a Josephson junction (Delay2). J1D, J2D), inductance (L1D), DC bias input terminal (Ib4), fifth signal input terminal (InE), delay circuit (Delay3), Josephson junction (J1E, J2E), inductance (L1E), and DC bias. The input terminal (Ib5) is connected.

【0059】遅延回路(Delay1、Delay2、
Delay3)は、ここではボックスで示されている
が、具体的には第1の実施形態で示したジョセフソン伝
送ライン(JTL)又は第2の実施形態で示したマイク
ロストリップラインを用いることが出来る。もちろん、
上述したように、その他の遅延回路を用いて本発明を構
成することもできる。
Delay circuits (Delay1, Delay2,
Delay 3) is shown here as a box, but specifically, the Josephson transmission line (JTL) shown in the first embodiment or the microstrip line shown in the second embodiment can be used. . of course,
As described above, the present invention can be configured using other delay circuits.

【0060】各遅延回路(Delay1、Delay
2、Delay3)の遅延時間は、第1の実施形態で述
べた時間tだけお互いに異なった時間に設定されてい
る。さらに、本実施の形態では、この5入力排他的論理
和回路への5つの入力信号を発生する前段の回路とし
て、各信号入力端(InA、InB、InC、InD、
InE)の前に超伝導単一磁束量子RSフリップフロッ
プ回路(RS−FF)を接続した構成になっている。超
伝導単一磁束量子RSフリップフロップ回路は、良く知
られている回路で文献(IEEE Trans. on Applied Super
conductivity. Vol.1, p. 7, March 1991のFig.7)に詳
しく記されている。
Each delay circuit (Delay1, Delay)
2, the delay time 3) is set to be different from each other by the time t 0 described in the first embodiment. Further, in the present embodiment, each signal input terminal (InA, InB, InC, InD,) is provided as a circuit in the preceding stage which generates five input signals to the five-input exclusive OR circuit.
A superconducting single magnetic flux quantum RS flip-flop circuit (RS-FF) is connected before InE). The superconducting single-flux-quantum RS flip-flop circuit is a well-known circuit and has been published in the IEEE Trans.
conductivity. Vol.1, p. 7, March 1991, Fig.7).

【0061】5入力の排他的論理和は、図6の真理値表
に示したように、入力信号が“1”である個数が、奇数
の場合は出力が“1”になり、入力信号が“1”である
個数が、ゼロ又は偶数の場合は出力が“0”になる。こ
の論理演算を実現するために、この回路では、単一磁束
量子を保持できる5つの超伝導ループ(J1A、J2
A、L1A、J3、J4からなる超伝導ループ1とJ1
B、J2B、L1B、J3、J4からなる超伝導ループ
2、J1C、J2C、L1C、J3、J4からなる超伝
導ループ3、J1D、J2D、L1D、J3、J4から
なる超伝導ループ4、J1E、J2E、L1E、J3、
J4からなる超伝導ループ5)が組合わさった構成にな
っており、5つの超伝導ループのいずれか1つだけには
単一磁束量子が保持されるが、5つの超伝導ループには
同時にそれぞれ単一磁束量子は保持されないように設計
されている。
As shown in the truth table of FIG. 6, the exclusive OR of the five inputs is such that when the number of input signals is "1", the output is "1" when the number is odd, and the input signal is When the number of "1" is zero or even, the output is "0". In order to realize this logical operation, this circuit uses five superconducting loops (J1A, J2) capable of holding a single magnetic flux quantum.
Superconducting loop 1 and J1 consisting of A, L1A, J3, and J4
B, J2B, L1B, J3, J4 superconducting loop 2, J1C, J2C, L1C, J3, J4 superconducting loop 3, J1D, J2D, L1D, J3, J4 superconducting loop 4, J1E, J2E, L1E, J3,
The superconducting loop 5) composed of J4 is combined, and only one of the five superconducting loops holds a single magnetic flux quantum, but the five superconducting loops have the same structure. The single flux quantum is designed not to be retained.

【0062】加えて、本実施形態の特徴である遅延回路
(Delay1、Delay2、Delay3)は、お
互いに異なった時間だけ超伝導ループに入力する信号を
遅らすことが出来る。これにより、第3の入力信号と第
4の入力信号及び第5の入力信号を順番に遅らせて入力
することが可能になる。
In addition, the delay circuits (Delay1, Delay2, Delay3), which are the features of this embodiment, can delay the signals input to the superconducting loop by different times. This makes it possible to delay the third input signal, the fourth input signal, and the fifth input signal in order.

【0063】5つ信号入力端(InA、InB、In
C、InD、InE)に入力される入力信号の”1”状
態が3つ以下の場合は、従来の技術及び第1の実施の形
態で説明した動作とほぼ同様であるので、ここでは一例
として入力信号が全て”1”状態である場合(図6の真
理値表の最下行に記した状態)の動作の説明をする。
Five signal input terminals (InA, InB, In
When the input signal input to C, InD, InE) has three or less “1” states, the operation is almost the same as that described in the related art and the first embodiment. The operation when all the input signals are in the "1" state (state shown in the bottom row of the truth table of FIG. 6) will be described.

【0064】まず、信号入力端InAにSFQパルスが
入力されると、超伝導ループ1に単一磁束量子が保持さ
れ、ジョセフソン接合J4がバイアスされた状態(単一
磁束量子が保持されたことにより、超伝導ループに永久
電流が流れ、超伝導ループの一部であるジョセフソン接
合J4にはこの永久電流が流れた状態になっている。)
になる。
First, when an SFQ pulse is input to the signal input terminal InA, a single magnetic flux quantum is held in the superconducting loop 1 and the Josephson junction J4 is biased (the single magnetic flux quantum is held). As a result, a permanent current flows in the superconducting loop, and this permanent current flows in the Josephson junction J4 which is a part of the superconducting loop.)
become.

【0065】その後、信号入力端InBにSFQパルス
が入力されて超伝導ループ2にも単一磁束量子を保持し
ようとする。しかし、この時すでに最初のSFQパルス
により超伝導電流が流れているため、電流が足し合わさ
れてジョセフソン接合J3に流れ込み、ジョセフソン接
合J3は磁束量子転移して超伝導ループに保持していた
単一磁束量子を排除することで、超伝導ループを初期状
態(”0”状態)にリセットする。このため、ジョセフ
ソン接合J4はバイアス状態ではなくなる。
After that, the SFQ pulse is input to the signal input terminal InB, and the superconducting loop 2 tries to hold the single magnetic flux quantum. However, at this time, since the superconducting current has already flowed due to the first SFQ pulse, the currents are added and flow into the Josephson junction J3, and the Josephson junction J3 undergoes the flux quantum transition and is held in the superconducting loop. By eliminating one magnetic flux quantum, the superconducting loop is reset to the initial state (“0” state). Therefore, the Josephson junction J4 is no longer in the biased state.

【0066】ここで、InA、InBのSFQパルス
は、それぞれ同時に、対応する超伝導ループに入力され
てもよい。
Here, the InA and InB SFQ pulses may be simultaneously input to the corresponding superconducting loops.

【0067】その後、第3のSFQパルスが入力される
と、超伝導ループ3に単一磁束量子が保持され、ジョセ
フソン接合J4は再度バイアス状態になる。その後、信
号入力端InDにSFQパルスが入力されて超伝導ルー
プ4にも単一磁束量子を保持しようとする。しかし、こ
の時すでに第3のSFQパルスにより超伝導電流が流れ
ているため、電流が足し合わされてジョセフソン接合J
3に流れ込み、ジョセフソン接合J3は磁束量子転移し
て超伝導ループに保持していた単一磁束量子を排除する
ことで、超伝導ループを初期状態(”0”状態)にリセ
ットする。このため、ジョセフソン接合J4はバイアス
状態ではなくなる。
After that, when the third SFQ pulse is input, the single flux quantum is held in the superconducting loop 3, and the Josephson junction J4 is biased again. After that, the SFQ pulse is input to the signal input terminal InD, and the superconducting loop 4 tries to hold the single magnetic flux quantum. However, at this time, since the superconducting current is already flowing due to the third SFQ pulse, the currents are added up and the Josephson junction J
3, the Josephson junction J3 is subjected to magnetic flux quantum transition and eliminates the single magnetic flux quantum held in the superconducting loop, thereby resetting the superconducting loop to the initial state (“0” state). Therefore, the Josephson junction J4 is no longer in the biased state.

【0068】その後、第5のSFQパルスが入力される
と、超伝導ループ5に単一磁束量子が保持され、ジョセ
フソン接合J4は再度バイアス状態になる。そのため、
その後クロックパルスが入力されると、ジョセフソン接
合J4は磁束量子転移し、出力端にSFQパルスを発生
する。
After that, when the fifth SFQ pulse is input, the single flux quantum is held in the superconducting loop 5, and the Josephson junction J4 is biased again. for that reason,
Then, when a clock pulse is input, the Josephson junction J4 undergoes magnetic flux quantum transition to generate an SFQ pulse at the output end.

【0069】上記一連の動作が正常に行われるために
は、SFQパルスが入力されるたびに、5つの内のいず
れかの超伝導ループに単一磁束量子が保持(セット)さ
れ、次のSFQパルスの入力により保持された単一磁束
量子が超伝導ループから排除され初期状態にリセットさ
れる。以降、SFQパルスの入力数に応じてセットとリ
セットが正常に繰り返される必要がある。この条件は、
第3から第5の入力信号が、お互いに異なった時刻に超
伝導ループに入力されるように設定することで満足され
る。信号間の時間差は、第1の実施形態で述べた時間差
t0だけお互いに異なる様に設定しておけば良い(時間
t0は、SFQパルスがいずれかの超伝導ループに入力
されて、”1”状態であった超伝導ループの量子状態を
リセットするのに要する時間である)。
In order for the above-described series of operations to be performed normally, each time a SFQ pulse is input, a single magnetic flux quantum is held (set) in any one of the five superconducting loops, and the next SFQ is generated. The single flux quantum held by the input of the pulse is removed from the superconducting loop and reset to the initial state. After that, it is necessary to normally repeat setting and resetting according to the number of SFQ pulse inputs. This condition is
This is satisfied by setting the third to fifth input signals to be input to the superconducting loop at different times. The time difference between the signals may be set to be different from each other by the time difference t0 described in the first embodiment (at the time t0, the SFQ pulse is input to one of the superconducting loops and becomes “1”). It is the time required to reset the quantum state of the superconducting loop that was in the state).

【0070】以上の動作により、図6の真理値表に示し
たような5入力の排他的論理和の演算を行うことができ
る。この様に、第3から第5の入力信号に対してそれぞ
れ所望の遅延を設定することで、全体として1クロック
で動作する(論理段数1段)超伝導単一磁束量子5入力
排他的論理和回路を実現することできる。
By the above operation, the 5-input exclusive OR operation as shown in the truth table of FIG. 6 can be performed. In this way, by setting desired delays for the third to fifth input signals, the superconducting single-flux-quantum 5-input exclusive-OR operation that operates as a whole with one clock (one logical stage) A circuit can be realized.

【0071】また、図5において、具体的な回路定数は
例えば以下のように設定することが出来る。
Further, in FIG. 5, specific circuit constants can be set as follows, for example.

【0072】J1A = J1B = J1C = J1D = J1E = 0.0926 m
A、J2A = J2B = J2C = J2D = J2E =0.0824 mA、J3 = 0.
0848 mA、J4 = 0.0781 mA、J5 = 1.123 mA、L1A = L1B
=L1C = L1D =L1E = 6.5 pH。
J1A = J1B = J1C = J1D = J1E = 0.0926 m
A, J2A = J2B = J2C = J2D = J2E = 0.0824 mA, J3 = 0.
0848 mA, J4 = 0.0781 mA, J5 = 1.123 mA, L1A = L1B
= L1C = L1D = L1E = 6.5 pH.

【0073】ここで、各ジョセフソン接合は、マッカン
バ定数β=1程度のオーバーダンピング状態で動作する
ように設定されている。
Here, each Josephson junction is set to operate in the overdamping state with the Mackamba constant β = 1.

【0074】なお、本実施形態に於いては、5つの信号
入力端(InA、InB、InC、InD、InE)に
入力される5つの入力信号は、前段の超伝導単一磁束量
子RSフリップフロップ回路(RS−FF)に於いてほ
ぼ同時刻に発生する。即ち、5つのRSフリップフロッ
プ回路にクロック信号が入力されると、RSフリップフ
ロップの内部状態(量子状態)に応じてほぼ同時にSF
Qパルスが出力される。
In this embodiment, the five input signals input to the five signal input terminals (InA, InB, InC, InD, InE) are the superconducting single-flux-quantum RS flip-flops of the preceding stage. It occurs at almost the same time in the circuit (RS-FF). That is, when a clock signal is input to the five RS flip-flop circuits, SFs are almost simultaneously generated according to the internal state (quantum state) of the RS flip-flops.
The Q pulse is output.

【0075】以上説明したように、本実施の形態の超伝
導単一磁束量子5入力排他的論理和回路により、5入力
の排他的論理和の演算を1クロックの動作で実現できる
と言う効果がある。これにより、高速化と同時に、従来
の技術に比べて素子数の削減ができるため、回路サイズ
の縮小及び低消費電力化が実現できるという効果もあ
る。
As described above, the effect that the superconducting single-flux-quantum 5-input exclusive-OR circuit of the present embodiment can realize the 5-input exclusive-OR operation in one clock operation. is there. As a result, the number of elements can be reduced as compared with the conventional technique at the same time as the speed is increased, so that the circuit size can be reduced and the power consumption can be reduced.

【0076】また、本実施形態では、5つの入力信号に
対する超伝導単一磁束量子5入力排他的論理和回路を構
成したが、さらに多くの入力信号に対しても本実施形態
と同様に追加した入力信号に遅延を付して入力すること
で、同様の効果を持つ超伝導単一磁束量子多入力排他的
論理和回路を実現することができる。
In this embodiment, the superconducting single-flux-quantum five-input exclusive OR circuit for five input signals is constructed, but more input signals are added in the same manner as in this embodiment. By inputting an input signal with a delay, a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit having the same effect can be realized.

【0077】[0077]

【発明の効果】以上説明した様に本発明により、1クロ
ックで高速に動作可能な超伝導単一磁束量子多入力排他
的論理和回路が実現できる。本発明の超伝導単一磁束量
子多入力排他的論理和回路は、入力信号数が増えても、
従来の技術の多入力排他的論理和回路のように多段構成
にする必要がないため、回路サイズの縮小及び低消費電
力化が実現できるという効果もある。また、本発明の超
伝導単一磁束量子3入力排他的論理和回路を用いること
で、デジタル信号処理回路の基本ブロックである全加算
器を容易に構成できるという効果もある。
As described above, according to the present invention, a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit that can operate at high speed with one clock can be realized. The superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit of the present invention, even if the number of input signals increases,
Since it is not necessary to have a multi-stage configuration unlike the multi-input exclusive OR circuit of the conventional technique, there is an effect that the circuit size can be reduced and the power consumption can be reduced. Further, by using the superconducting single-flux-quantum 3-input exclusive OR circuit of the present invention, there is an effect that a full adder, which is a basic block of a digital signal processing circuit, can be easily configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第1の実施形態を説明するための等価回路図で
ある。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for explaining a first embodiment of a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図2】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第1の実施形態を説明するための真理値表であ
る。
FIG. 2 is a truth table for explaining the first embodiment of the superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図3】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第1の実施形態の動作を説明するため動作波形
の概略図である。
FIG. 3 is a schematic view of operating waveforms for explaining the operation of the first embodiment of the superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図4】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第2の実施形態を説明するための等価回路図で
ある。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram for explaining a second embodiment of a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図5】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第3の実施形態を説明するための等価回路図で
ある。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram for explaining a third embodiment of a superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図6】本発明の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理
和回路の第3の実施形態を説明するための真理値表であ
る。
FIG. 6 is a truth table for explaining a third embodiment of the superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive OR circuit of the present invention.

【図7】従来の技術の超伝導単一磁束量子3入力排他的
論理和回路を説明するためのブロック構成図である。
FIG. 7 is a block diagram for explaining a conventional superconducting single-flux-quantum 3-input exclusive OR circuit.

【図8】従来の技術の超伝導単一磁束量子5入力排他的
論理和回路を説明するためのブロック構成図である。
FIG. 8 is a block diagram illustrating a conventional superconducting single-flux-quantum 5-input exclusive OR circuit.

【図9】従来の技術の超伝導単一磁束量子2入力排他的
論理和回路を説明するための等価回路図である。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram for explaining a conventional superconducting single-flux-quantum two-input exclusive OR circuit.

【図10】従来の技術の超伝導単一磁束量子2入力排他
的論理和回路を説明するための真理値表である。
FIG. 10 is a truth table for explaining a conventional superconducting single-flux-quantum two-input exclusive OR circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

J1A、J1B、J1C、J1D、J1E、J2A、J
2B、J2C、J2D、J2E、J3、J4、J5、J
d1、Jd2 ジョセフソン接合 L1A、L1B、L1C、L1D、L1E、Ld1、L
d2 インダクタンス Ib1、Ib2、Ib3、Ib4、Ib5 直流バイア
ス電流 InA、InB、InC、InD、InE 信号入力端 2XOR1、2XOR2、2XOR3、2XOR4 2
入力排他的論理和回路
J1A, J1B, J1C, J1D, J1E, J2A, J
2B, J2C, J2D, J2E, J3, J4, J5, J
d1, Jd2 Josephson junctions L1A, L1B, L1C, L1D, L1E, Ld1, L
d2 Inductances Ib1, Ib2, Ib3, Ib4, Ib5 DC bias currents InA, InB, InC, InD, InE Signal input terminals 2XOR1, 2XOR2, 2XOR3, 2XOR4 2
Input exclusive OR circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永沢 秀一 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 高橋 和宏 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 宮原 一紀 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 Fターム(参考) 4M113 AD11 AD23 5J042 AA04 BA14 CA26 DA02 DA03   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Shuichi Nagasawa             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Institute of Electrical Engineering (72) Inventor Kazuhiro Takahashi             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Institute of Electrical Engineering (72) Inventor Kazuki Miyahara             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Institute of Electrical Engineering (72) Inventor Yoichi Enomoto             Foundation law, 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo             International Superconductivity Technology Center             Institute of Electrical Engineering F-term (reference) 4M113 AD11 AD23                 5J042 AA04 BA14 CA26 DA02 DA03

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一端が第1の接続点に接続され他端が出
力点に接続された第1のジョセフソン接合と、一端が前
記出力点に接続され他端が接地された第2のジョセフソ
ン接合と、一端が前記出力点に接続され他端が制御信号
入力点に接続された第3のジョセフソン接合と、一端が
第1の信号入力点に接続され他端が接地された第4のジ
ョセフソン接合と、一端が第1のバイアス電流入力点に
接続され他端が前記第1の信号入力点に接続された第5
のジョセフソン接合と、一端が前記第1のバイアス電流
入力点に接続され他端が前記第1の接続点に接続された
第1のインダクタンスと、一端が第2の信号入力点に接
続され他端が接地された第6のジョセフソン接合と、一
端が第2のバイアス電流入力点に接続され他端が前記第
2の信号入力点に接続された第7のジョセフソン接合
と、一端が前記第2のバイアス電流入力点に接続され他
端が前記第1の接続点に接続された第2のインダクタン
スとで構成された超伝導単一磁束量子排他的論理和回路
において、 第3の信号入力点と第3のバイアス電流入力点とを有
し、一端が前記第3の信号入力点に接続され他端が第2
の接続点に接続された所定の遅延時間を有する遅延回路
と、一端が前記第2の接続点に接続され他端が接地され
た第8のジョセフソン接合と、一端が前記第3のバイア
ス電流入力点に接続され他端が前記第2の接続点に接続
された第9のジョセフソン接合と、一端が前記第3のバ
イアス電流入力点の1つに接続され他端が前記第1の接
続点に接続された第3のインダクタンスとから構成され
た回路を少なくとも1個以上含むことを特徴とする超伝
導単一磁束量子多入力排他的論理和回路。
1. A first Josephson junction having one end connected to a first connection point and the other end connected to an output point, and a second Josephson junction having one end connected to the output point and the other end grounded. A Son junction, a third Josephson junction having one end connected to the output point and the other end connected to a control signal input point, and a fourth Josephson junction having one end connected to the first signal input point and the other end grounded. And a fifth junction having one end connected to the first bias current input point and the other end connected to the first signal input point.
A Josephson junction, a first inductance having one end connected to the first bias current input point and the other end connected to the first connection point, and one end connected to a second signal input point A sixth Josephson junction whose end is grounded; a seventh Josephson junction whose one end is connected to a second bias current input point and whose other end is connected to the second signal input point; A superconducting single-flux-quantum exclusive-OR circuit configured with a second inductance connected to a second bias current input point and the other end connected to the first connection point. Point and a third bias current input point, one end of which is connected to the third signal input point and the other end of which is the second
A delay circuit having a predetermined delay time connected to a connection point of, an eighth Josephson junction having one end connected to the second connection point and the other end grounded, and one end of the third bias current A ninth Josephson junction connected to the input point and the other end connected to the second connection point; and one end connected to one of the third bias current input points and the other end connected to the first connection A superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit comprising at least one circuit composed of a third inductance connected to a point.
【請求項2】 前記所定の遅延時間は、前記第1のジョ
セフソン接合と前記第2のジョセフソン接合を共通に含
み前記第1から第3のインダクタンスと前記第4から第
9のジョセフソン接合と接地とを介して構成される超伝
導ループが、その超伝導ループの量子状態をリセットす
るのに要する時間以上の時間であることを特徴とする請
求項1記載の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理和回
路。
2. The predetermined delay time commonly includes the first Josephson junction and the second Josephson junction, and the first to third inductances and the fourth to ninth Josephson junctions. 2. The superconducting single-flux quantum poly according to claim 1, wherein the superconducting loop formed through the ground and the ground has a time longer than the time required to reset the quantum state of the superconducting loop. Input exclusive OR circuit.
【請求項3】 前記少なくとも1個以上の第3の信号入
力点に接続された少なくとも1個以上の遅延回路の遅延
時間は、前記所定の遅延時間だけ順次お互いに異なって
いることを特徴とする請求項1記載の超伝導単一磁束量
子多入力排他的論理和回路。
3. The delay time of at least one delay circuit connected to the at least one third signal input point is sequentially different from each other by the predetermined delay time. The superconducting single magnetic flux quantum multi-input exclusive OR circuit according to claim 1.
【請求項4】 前記遅延回路は、ジョセフソン接合とイ
ンダクタンスで構成されるジョセフソン伝送線路の信号
伝搬遅延を用いることで実現したことを特徴とする請求
項1記載の超伝導単一磁束量子多入力排他的論理和回
路。
4. The superconducting single-flux-quantum poly according to claim 1, wherein the delay circuit is realized by using a signal propagation delay of a Josephson transmission line composed of a Josephson junction and an inductance. Input exclusive OR circuit.
【請求項5】 前記遅延回路は、マイクロストリップラ
インの信号伝搬遅延を用いて実現されていることを特徴
とする請求項1記載の超伝導単一磁束量子多入力排他的
論理和回路。
5. The superconducting single-flux-quantum multi-input exclusive-OR circuit according to claim 1, wherein the delay circuit is realized by using a signal propagation delay of a microstrip line.
【請求項6】 前記制御信号が周期的なクロック信号で
あることを特徴とする請求項1記載の超伝導単一磁束量
子多入力排他的論理和回路。
6. The superconducting single-flux-quantity multi-input exclusive-OR circuit according to claim 1, wherein the control signal is a periodic clock signal.
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