JP2016538809A - ジョセフソンａｃ／ｄｃ変換器システム及び方法 - Google Patents

ジョセフソンａｃ／ｄｃ変換器システム及び方法 Download PDF

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Abstract

一実施形態は、ＡＣ／ＤＣ変換器システムを示す。システムは、ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループを含む。システムはまた、磁束シャトルループに関して離間され、ＡＣ入力信号に応答して連続的にトリガして、磁束シャトルループの周りを連続的に移動する単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、ＤＣ出力信号が出力インダクタを介して供給されるように構成された複数のジョセフソン接合を含む。

Description

本発明は、一般に量子及び古典的デジタル超伝導回路に関し、特にジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器システム及び方法に関する。
超伝導デジタル技術は、前例のない高速、低電力消費及び低動作温度から恩恵を受ける計算及び／又は通信資源をもたらした。超伝導デジタル技術は、ＣＭＯＳ技術の代替として開発され、典型的には、超伝導ジョセフソン接合を用いる、超伝導体ベースの単一磁束超伝導回路を含み、２０Ｇｂ／ｓ（ギガバイト／秒）以上の典型的なデータ速度において約４ｎＷ（ナノワット）の典型的な信号電力を示すことができ、且つ約４°ケルビンの温度で動作することができる。ジョセフソン接合は、ＤＣバイアス電流が供給される能動デバイスであり、かかる回路における電力バジェットは、能動デバイスがスイッチングしていてもいなくても発生する静的な電力消費によって支配される。典型的なシステムは、バイアス抵抗器網を用いてＤＣバイアス電流を直接供給することができ、それは、かなりの高電流（１アンペア以上の）に帰着する可能性があり、それは、高電力消費に起因するスプリアス磁界及び熱に帰着する可能性がある。
一実施形態は、ＡＣ／ＤＣ変換器システムを示す。システムは、ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループを含む。システムはまた、磁束シャトルループの周りで離間され、ＡＣ入力信号に応答して連続的にトリガして、磁束シャトルループの周りを連続的に移動する単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、ＤＣ出力信号が出力インダクタを介して供給されるように構成された複数のジョセフソン接合を含む。
別の実施形態は、ＡＣ入力信号に基づいてＤＣ出力信号を供給するための方法を含む。方法は、複数のステージを含む磁束シャトルループに初期化バイアス電流を供給することを含む。方法はまた、複数のステージの各々と誘導結合されるＡＣ入力信号を供給することを含む。方法は、ＡＣ入力信号の周波数に基づいて複数のステージの各々に関連するジョセフソン接合を連続的にトリガして、磁束シャトルループの周りに単一磁束量子を循環させて、出力インダクタを介してＤＣ出力信号を生成することを更に含む。
別の実施形態は、ＡＣ／ＤＣ変換器システムを含む。システムは、複数のステージを含み、ＡＣ入力信号を受信するように構成される磁束シャトルループを含む。複数のステージの各々は、複数のステージの個々の１つへのＡＣ入力信号の誘導結合に基づいてバイアス電流を生成するように構成された変圧器を含む。複数のステージの各々はまた、バイアス電流に応答してトリガして単一磁束量子を供給するように構成されたジョセフソン接合を含む。複数のステージの各々はまた、複数のステージの個々の１つを出力インダクタと相互接続し、単一磁束量子に応答して電流パルスを供給するように構成されたインダクタを含む。システムはまた、蓄積インダクタの各々に結合された出力インダクタであって、蓄積インダクタの各々から連続的に供給される受信した電流パルス出力に基づいてＤＣ出力信号を供給するように構成された出力インダクタを含む。
超伝導回路システムの例を示す。 ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器の例を示す。 タイミング図の例を示す。 超伝導回路システムの例を示す。 ＡＣ入力信号に基づいてＤＣ出力信号を供給するための方法の例を示す。
本発明は、一般に量子及び古典的デジタル超伝導回路に関し、特にジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器システム及び方法に関する。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器は、複数のステージを含む磁束シャトルループを含む。複数のステージの各々は、変圧器、少なくとも１つのジョセフソン接合、及びインダクタを含む。変圧器は、ＡＣ入力信号を磁束シャトルループに誘導結合するように構成されて、ＡＣ入力信号が磁束シャトルループにおいてバイアス電流を供給するようにする。磁束シャトルループはまた、ＤＣ初期化信号に応答してバイアス電流を生成するように構成された初期化変圧器を含む。従って、初期化変圧器を介して供給されるバイアス電流、及びステージの各々において変圧器を介してＡＣ入力信号によって供給されるバイアス電流に応答して、ステージの各々におけるジョセフソン接合は、ＡＣ入力信号の周波数に基づいてトリガして、磁束シャトルループの周りに単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給する。例として、ＳＦＱパルスは、ＡＣ入力信号の各正及び負のサイクルにおける所与のステージを通って伝搬する。ＳＦＱパルスは、複数のステージの各々におけるインダクタに供給されて、電流パルスを出力インダクタに供給して、出力インダクタがＤＣ出力信号を供給する。
例として、ＡＣ入力信号は、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号を含み、磁束シャトルループは、４つのステージを含む。２つのステージにおける変圧器の一次巻線は、他の２つのステージにおける変圧器の一次巻線に対して逆極性を有する。従って、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号の各々における正のサイクルにおいて、２つのステージにおける変圧器の二次巻線において誘導されたバイアス電流は、磁束シャトルループの周りの所定の方向に供給され、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号の各々における負のサイクルにおいて、他の２つのステージにおける変圧器の二次巻線において誘導されたバイアス電流は、磁束シャトルループの周りの同じ所定の方向に供給され得る。従って、ステージの各々におけるジョセフソン接合は、ＡＣ入力信号の各９０°において連続的にトリガして、磁束シャトルループの周りにＳＦＱパルスを回転させて、出力インダクタに電流パルスを供給してＤＣ出力電圧を生成する。
図１は、超伝導回路システム１０の例を示す。例として、超伝導回路システム１０は、量子メモリ又は処理システムなどの様々な量子計算用途のいずれかにおいて実現することができる。超伝導回路システム１０は、図１の例においてＤＣ電流ＩＤＣとして示されているＤＣ信号を受信するデバイス１２を含む。例として、ＤＣ信号ＩＤＣは、デバイス１２を駆動するために、電力信号又はドライバ信号として供給することができる。例えば、デバイス１２は、読み出し電流又は書き込み電流をメモリセルに供給するようなメモリドライバに対応することができる。
超伝導回路システム１０はまた、ＡＣ入力信号ＡＣをＤＣ信号ＩＤＣに変換するように構成されるジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４を含む。例として、ＡＣ入力信号ＡＣは、相互量子論理（ＲＱＬ）超伝導回路（例えば約２ｍＡ ＲＭＳ）に適用可能であるようなほぼ一定の周波数（例えば約１０ＧＨｚ）及び小さいＡＣ電流量を有する正弦波形とすることができる。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４に供給されて、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４の動作を初期化してＡＣ入力信号ＡＣをＤＣ信号ＩＤＣに変換するための期化信号ＩＮＴＬを受信するように図示されている。例として、初期化信号ＩＮＴＬは、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４のＡＣ／ＤＣ変換動作を維持するために、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４にほぼ連続的に供給されるＤＣ信号とすることができる。例えば、初期化信号ＩＮＴＬは、バイアス電流を誘導することができる。
図１の例において、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、磁束シャトルループ１６を含む。磁束シャトルループ１６は、ＡＣ入力信号ＡＣの周波数に基づいて、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４のＡＣ／ＤＣ変換動作中に磁束シャトルループ１６の周りで単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを転送するように構成される複数のステージを含むことができる。本明細書で説明されているように、磁束シャトルループ１６に関する用語「ループ」は、第１のステージを最後のステージに結合できるような、磁束シャトルループ１６のほぼ連続的なループ（例えば環状）配置を示す。従って、ＳＦＱパルスは、初期化信号ＩＮＴＬが供給されている間に、磁束シャトルループ１６の周りをほぼ連続的に伝搬することができる。
磁束シャトルループ１６は、抵抗器なしに配置することができる。例として、磁束シャトルループ１６のステージの各々は、変圧器、少なくとも１つのジョセフソン接合、及びインダクタを含むことができる。変圧器は、ＡＣ入力信号ＡＣにより磁束シャトルループ１６においてバイアス電流が供給されるように、ＡＣ入力信号ＡＣを磁束シャトルループ１６に誘導結合するように構成することができる。変圧器を介してＡＣ入力信号ＡＣによって誘導されたバイアス電流は、初期化信号ＩＮＴＬを介して生成されたバイアス電流に追加することができる。従って、磁束シャトルループ１６のステージの各々におけるジョセフソン接合は、集合的なバイアス電流に応答してトリガして、ＡＣ入力信号ＡＣの周波数に基づいて磁束シャトルループ１６の周りを伝搬するＳＦＱパルスを生成する。例として、ＳＦＱパルスは、ＡＣ入力信号ＡＣの各正及び負のサイクルにおいて、ステージの所与の１つを通って伝搬することができる。ＳＦＱパルスは、ＳＦＱパルスが磁束シャトルループ１６の周りを伝搬するときに、磁束シャトルループ１６のステージの各々におけるインダクタに供給されて、電流パルスがジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４における出力インダクタ（図示せず）などに供給される。従って、ＤＣ信号ＩＤＣは、ＡＣ入力信号ＡＣの周波数に基づいて出力インダクタに連続して供給される電流パルスに基づいて出力インダクタを通って流れる。例えば、電流パルスは、インダクタの各々に小さな電圧（例えば約２μＶ／ＧＨｚ）を供給するＳＦＱパルスに基づいて生成されて、結果としての電流パルスが、出力インダクタにおいて統合されて、ＤＣ信号ＩＤＣが供給される。
従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、電力効率の良い方法で、ＡＣ入力信号ＡＣをＤＣ信号ＩＤＣに変換するように動作することができる。前に説明したように、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、抵抗器なしに実現することができる。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、電流パルスを介してのみ電力を消費して、ＤＣ信号ＩＤＣをデバイス１２に供給し、磁束シャトルループ１６の周りを伝搬するＳＦＱパルスを維持するために追加の電力が消費されないようにしている。更に、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、典型的な抵抗ベースのＤＣ電源とは対照的に、静的電力消費によって熱をほぼ発生しない。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４は、特に量子計算環境において、典型的なＡＣ／ＤＣ変換器よりも効率的かつ効果的に動作することができる。例えば、ＤＣ出力信号ＩＤＣがほぼ最大振幅を達成すると、初期化信号ＩＮＴＬは非活性化することができる。その結果、磁束シャトルループ１６のステージの各々におけるジョセフソン接合は、もはや連続的にはトリガしないが、しかしＤＣ出力電流ＩＤＣは、負荷が静止状態（例えば超伝導）である限り、散逸なしに振幅を維持する。
図２は、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０の例を示す。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、超伝導回路システム１０におけるジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１４に対応する。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、第１のステージ５４、第２のステージ５６、第３のステージ５８及び第４のステージ６０として、図２の例に示されている複数のステージを含む磁束シャトルループ５２を含む。ステージ５４、５６、５８及び６０は、ループ配置を形成するために連続的に結合される。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、ＡＣ入力信号をＤＣ出力信号に変換するように構成される。図２の例において、ＡＣ入力信号は、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱを含むように示されている。例として、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、量子計算回路においてＲＱＬ用に実現されるＡＣ直交信号に共同で対応することができる。ＤＣ出力信号は、出力インダクタＬＯＵＴを通って流れる電流ＩＤＣとして示されている。
ステージ５４、５６、５８及び６０の各々は、互いにほぼ同様に構成される。第１のステージ５４は、変圧器Ｔ１、第１のジョセフソン接合Ｊ１＿１、第２のジョセフソン接合Ｊ２＿１、及び第１のインダクタＬＸ＿１を含む。第２のステージ５６は、変圧器Ｔ２、第１のジョセフソン接合Ｊ１＿２、第２のジョセフソン接合Ｊ２＿２、第１のインダクタＬＸ＿２、及び第２のインダクタＬＹ＿２を含む。第３のステージ５８は、変圧器Ｔ３、第１のジョセフソン接合Ｊ１＿３、第２のジョセフソン接合Ｊ２＿３、第１のインダクタＬＸ＿３、及び第２のインダクタＬＹ＿３を含む。第４のステージ６０は、変圧器Ｔ４、第１のジョセフソン接合Ｊ１＿４、第２のジョセフソン接合Ｊ２＿４、第１のインダクタＬＸ＿４、及び第２のインダクタＬＹ＿４を含む。
変圧器Ｔ１及びＴ３は、一次巻線Ｌ１＿１及びＬ１＿３を各々含み、それらの一次巻線を通って同相ＡＣ入力信号ＡＣＩが流れ、変圧器Ｔ２及びＴ４は、一次巻線Ｌ１＿２及びＬ１＿４を各々含み、それらの一次巻線を通って直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱが流れる。変圧器Ｔ１及びＴ３は、磁束シャトルループ５２への同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの誘導結合を提供し、変圧器Ｔ２及びＴ４は、磁束シャトルループ５２への直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの誘導結合を提供する。従って、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩに応答して第１の変圧器Ｔ１は、二次巻線Ｌ２＿１を介してバイアス電流ＩＢ１を生成し、第３の変圧器Ｔ３は、二次巻線Ｌ２＿３を介してバイアス電流ＩＢ３を生成する。同様に、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱに応答して第２の変圧器Ｔ２は、二次巻線Ｌ２＿２を介してバイアス電流ＩＢ２を生成し、第４の変圧器Ｔ４は、二次巻線Ｌ２＿４を介してバイアス電流ＩＢ４を生成する。
例として、第１の同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの各々は、正の部分（例えば、各々の期間の前半）及び負の部分（例えば、各々の期間の後半）を含む。図２の例に示されているように、第３の変圧器Ｔ３の一次巻線Ｌ１＿３は、第１の変圧器Ｔ１の一次巻線Ｌ１＿１の極性と逆の極性を有する。同様に、第４の変圧器Ｔ４の一次巻線Ｌ１＿４は、第２の変圧器Ｔ２の一次巻線Ｌ１＿２の極性と逆の極性を有する。従って、バイアス電流ＩＢ１は、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの負の部分中に、第１の変圧器Ｔ１の第２の巻線Ｌ２＿１を介して第１の方向に誘導される。しかしながら、第１及び第３の変圧器Ｔ１及びＴ３の一次巻線Ｌ１＿１及びＬ３＿１が、各々逆極性を有するので、バイアス電流ＩＢ３もまた、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの正の部分中に、第３の変圧器Ｔ３の二次巻線Ｌ２＿３を介して第１の方向に誘導される。同様に、バイアス電流ＩＢ２は、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの負の部分中に、第１の方向に誘導され、バイアス電流ＩＢ４もまた、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの正の部分中に、第１の方向に誘導される。従って、図３の例においてより詳細に説明されているように、バイアス電流ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３及びＩＢ４は、ＡＣ入力信号ＡＣＩ及びＡＣＱの９０°間隔の各々において連続的に供給される。図２の例において、「第１の方向」は、本明細書で説明されているように、初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮと同じ電流方向であるように示されており、且つ各々の二次巻線Ｌ２＿１、Ｌ２＿２、Ｌ２＿３及びＬ２＿４を起点に左から右として示されている。
ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、第２のインダクタ（例えばＬＹ＿１）に取って代わるものとして、図２の例に示されている、第１のステージ５４の一部を形成する初期化変圧器ＴＩＮを含む。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０の動作を初期化するために、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０に供給することができる初期化信号ＩＮＴＬを受信するように示されている。例として、初期化信号ＩＮＴＬは、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０にほぼ連続的に供給されるＤＣ信号とすることができる。図２の例において、初期化信号ＩＮＴＬは、変圧器ＴＩＮの一次巻線Ｌ１＿ＩＮを通して供給され、初期化信号ＩＮＴＬは、二次巻線Ｌ２＿ＩＮから供給される初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮを誘導する。図２の例において、初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮは、第１のインダクタＬＸ＿２を通って流れるように示されている。
初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮ及びバイアス電流ＩＢ２の大きさを加算したものは、ジョセフソン接合Ｊ１＿２の臨界電流を超過するのに十分になり得る。例えば、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの負の部分中に、バイアス電流ＩＢ２及び初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮは、組み合わされ、ジョセフソン接合Ｊ２＿２を通って流れる。それに応じて、バイアス電流ＩＢ２及びＩＢ＿ＩＮの大きさが、ジョセフソン接合Ｊ２＿２の臨界電流を超過するので、ジョセフソン接合Ｊ２＿２は、単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを生成するようにトリガし、単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスは、電圧パルスとして磁束シャトルループ５２において示すことができる。次に、ＳＦＱパルスは、第１のジョセフソン接合Ｊ１＿３をトリガするために、インダクタＬＹ＿１及びＬＸ＿２を通って第２のステージ５６から第３のステージ５８に伝搬することができる。同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの正の部分中に、ＳＦＱパルスは、バイアス電流ＩＢ３と組み合わさってジョセフソン接合Ｊ２＿３をトリガすることができる。その結果、ジョセフソン接合Ｊ２＿３は、ＳＦＱパルスを生成する。従って、ジョセフソン接合Ｊ１及びＪ２は、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの周波数に基づいて、連続的にトリガし続けることができる。従って、ＳＦＱパルスは、ＡＣ入力信号ＡＣＩ及びＡＣＱの各９０°間隔で、ステージ５４、５６、６８及び６０の各々において連続的に生成される。
ステージ５４、５６、５８及び６０の各々においてジョセフソン接合Ｊ２によって連続的に生成されるＳＦＱパルスに応答して、電流パルスが、ステージ５４、５６、５８及び６０の各々の１つに関連する蓄積インダクタにおいて生成される。図２の例において、第１のステージ５４は、蓄積インダクタＬＳ＿１を含み、第２のステージ５６は、蓄積インダクタＬＳ＿２を含み、第３のステージ５８は、蓄積インダクタＬＳ＿３を含み、第４のステージ６０は、蓄積インダクタＬＳ＿４を含む。従って、ジョセフソン接合Ｊ２＿１のトリガリングに応じて、ＳＦＱパルスは、蓄積インダクタＬＳ＿１において派生電流パルスＩＰ１を生成する。ジョセフソン接合Ｊ２＿２のトリガリングに応じて、ＳＦＱパルスは、蓄積インダクタＬＳ＿２において派生電流パルスＩＰ２を生成する。ジョセフソン接合Ｊ２＿３のトリガリングに応じて、ＳＦＱパルスは、蓄積インダクタＬＳ＿３において派生電流パルスＩＰ３を生成する。ジョセフソン接合Ｊ２＿４のトリガリング応じて、ＳＦＱパルスは、蓄積インダクタＬＳ＿４において派生電流パルスＩＰ４を生成する。蓄積インダクタＬＳ＿１、ＬＳ＿２、ＬＳ＿３及びＬＳ＿４の各々は、出力インダクタＬＯＵＴに結合される。その結果、出力インダクタＬＯＵＴは、電流パルスＩＰ１、ＩＰ２、ＩＰ３及びＩＰ４の各々を統合してＤＣ出力信号ＩＤＣを供給して、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０が、出力インダクタＬＯＵＴの電流制限に基づいて電流制限ＤＣ信号源として働くようにする。その結果、ＤＣ出力信号ＩＤＣは、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱから変換されたＤＣ信号としてデバイス（例えば図１の例におけるデバイス１２）に供給することができる。
図３は、タイミングダイアグラム１００の例を示す。タイミングダイアグラム１００は、凡例１０２に示されているような同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱを時間の関数として含む。同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、各々ゼロを中心とした大きさを有する正弦波信号として示されている。図３の例における同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、図２の例における同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱに対応することができる。従って、図３の例の以下の説明において、図２の例に対して言及がなされる。
時間ｔ０において、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの負の部分が始まり、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの正のピークが、時間ｔ１に発生する。従って、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩは、一次巻線Ｌ１＿１との誘導結合に基づき、第１の方向において二次巻線Ｌ２＿１を介してバイアス電流ＩＢ１を誘導し始める。（例えば、変圧器Ｔ１のインダクタンスに基づいて）時間ｔ１の直後の時間に、ジョセフソン接合Ｊ１＿１によって供給されるＳＦＱパルスと組み合わされたバイアス電流ＩＢ１の大きさは、前にトリガされたジョセフソン接合Ｊ２＿１の臨界電流を超過し、従って、ジョセフソン接合Ｊ２＿１をトリガするのに十分になる。その結果、ジョセフソン接合Ｊ２＿１は、ＳＦＱパルスを生成し、ＳＦＱパルスは、出力インダクタＬＯＵＴによって統合される蓄積インダクタＬＳ＿１において電流パルスＩＰ１を生成し、且つジョセフソン接合Ｊ１＿２をトリガするために第２のステージに伝搬する。
また、時間ｔ１において、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの負の部分が始まり、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの正のピークが、時間ｔ２において発生する。従って、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、一次巻線Ｌ１＿２との誘導結合に基づき、第１の方向において二次巻線Ｌ２＿２を介してバイアス電流ＩＢ２を誘導し始める。（例えば、変圧器Ｔ２のインダクタンスに基づいて）時間ｔ２の直後の時間に、ジョセフソン接合Ｊ１＿２によって供給されるＳＦＱパルス（及び／又は初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮ）と組み合わされたバイアス電流ＩＢ２の大きさは、ジョセフソン接合Ｊ２＿２の臨界電流を超過し、従って、ジョセフソン接合Ｊ２＿２をトリガするのに十分になる。その結果、ジョセフソン接合Ｊ２＿２は、ＳＦＱパルスを生成し、ＳＦＱパルスは、出力インダクタＬＯＵＴによって統合される蓄積インダクタＬＳ＿２において電流パルスＩＰ２を生成し、且つジョセフソン接合Ｊ１＿３をトリガするために第３のステージに伝搬する。
また、時間ｔ２において、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの正の部分が始まり、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの負のピークが、時間ｔ３において発生する。従って、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩは、（例えば一次巻線Ｌ１＿１の極性と逆の）一次巻線Ｌ１＿３との誘導結合に基づき、第１の方向において二次巻線Ｌ２＿３を介してバイアス電流ＩＢ３を誘導し始める。（例えば、変圧器Ｔ３のインダクタンスに基づいて）時間ｔ３の直後の時間に、ジョセフソン接合Ｊ１＿３によって供給されるＳＦＱパルスと組み合わされたバイアス電流ＩＢ３の大きさは、ジョセフソン接合Ｊ２＿３の臨界電流を超過し、従って、ジョセフソン接合Ｊ２＿３をトリガするのに十分になる。その結果、ジョセフソン接合Ｊ２＿３は、ＳＦＱパルスを生成し、ＳＦＱパルスは、出力インダクタＬＯＵＴによって統合される蓄積インダクタＬＳ＿３において電流パルスＩＰ３を生成し、且つジョセフソン接合Ｊ１＿４をトリガするために第４のステージに伝搬する。
また、時間ｔ３において、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの正の部分が始まり、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの負のピークが、時間ｔ４において発生する。従って、直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、（例えば一次巻線Ｌ１＿２の極性と逆の）一次巻線Ｌ１＿４との誘導結合に基づき、第１の方向において二次巻線Ｌ２＿４を介してバイアス電流ＩＢ４を誘導し始める。（例えば、変圧器Ｔ４のインダクタンスに基づいて）時間ｔ４の直後の時間に、ジョセフソン接合Ｊ１＿４によって供給されるＳＦＱパルスと組み合わされたバイアス電流ＩＢ４の大きさは、ジョセフソン接合Ｊ２＿４の臨界電流を超過し、従って、ジョセフソン接合Ｊ２＿４をトリガするのに十分になる。その結果、ジョセフソン接合Ｊ２＿４は、ＳＦＱパルスを生成し、ＳＦＱパルスは、出力インダクタＬＯＵＴによって統合される蓄積インダクタＬＳ＿４において電流パルスＩＰ４を生成し、且つジョセフソン接合Ｊ１＿１をトリガするために第１のステージに伝搬する。
また、時間ｔ４において、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩの負の部分が始まる。従って、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱを変換するプロセスは、前に説明したように、時間ｔ４が時間ｔ０と等しいように反復する。従って、ジョセフソン接合Ｊ１＿１、Ｊ２＿１、Ｊ１＿２、Ｊ２＿２、Ｊ１＿３、Ｊ２＿３、Ｊ１＿４及びＪ２＿４は、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱの周波数に基づき、各々Ｊ２＿１、Ｊ２＿２、Ｊ２＿３及びＪ２＿４のトリガリングに応じて電流パルスＩＰ１、ＩＰ２、ＩＰ３及びＩＰ４を出力インダクタＬＯＵＴに連続的に供給するために、磁束シャトルループ５２の周りにＳＦＱパルスを伝搬するために連続的にトリガすることができる。その結果、出力インダクタＬＯＵＴは、電流パルスＩＰ１、ＩＰ２、ＩＰ３及びＩＰ４を統合して、ＤＣ出力信号ＩＤＣを供給することができる。
ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０が、図２の例に限定されるようには意図されていないことを理解されたい。例として、ＡＣ入力信号は、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱとして実現されることに限定されず、その代わりに単一の正弦波信号とすることが可能である。別の例として、磁束シャトルループ５２は、ＡＣ入力信号の正及び負の部分を達成するために、２ステージの任意の倍数など、４つのステージ５４、５６、５８及び６０より多いか又は少ないステージを含むことができる。更に、図２の例は、９０°の間隔の各々において、バイアス電流ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３及びＩＢ４を連続的に供給するために、各々逆の極性で供給される同相及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及びＡＣＱを示すが、ＡＣ入力信号の他の配置が、９０°の間隔の各々において、バイアス電流ＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３及びＩＢ４を供給するために実現され得る。例えば、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、全て同じ極性を有する変圧器Ｔ１〜Ｔ４を用いて、互いの位相が各々９０°ずれている４つの別個のＡＣ入力信号を実現することができる。更に、方形波信号及び／又は互いに別個の周波数を有する信号など、他のタイプのＡＣ信号が、ＤＣ出力信号ＩＤＣを供給するために実現され得る。更に別の例として、ステージ５４、５６、５８及び６０は、図２の例で提供される配置に限定されず、その代わりにジョセフソン接合Ｊ１及びＪ２、インダクタＬｘ及びＬＹ、変圧器Ｔ１〜Ｔ４、並びに／又は蓄積インダクタＬＳと異なる物理的配置を有することが可能である。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０は、様々な方法で構成することができる。
図２の例に示されているように、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、変圧器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の一次巻線Ｌ１＿１、Ｌ１＿２、Ｌ１＿３及びＬ１＿４を通過するように各々示されている。しかしながら、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱは、例えば、複数のデバイス用にＡＣ／ＤＣ変換を提供するためなど、複数のジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器用に供給することができる。
図４は、超伝導回路システム１５０の例を示す。例として、超伝導回路システム１５０は、量子メモリ又は処理システムなど、様々な量子計算用途のいずれかにおいて実現することができる。超伝導回路システム１５０は、複数Ｎのデバイス１５２を含み、ここでＮは、正の整数である。デバイス１５２の各々は、各々ＤＣ電流ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎとして図４の例に示されている各々のＤＣ信号を受信する。例として、ＤＣ電流ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎは、デバイス１５２を駆動するための電力信号又はドライバ信号として供給することができる。例えば、デバイス１５２は、各々メモリセルアレイに読み出し及び書き込み電流を供給するためなど、各々のメモリドライバに対応することができる。
超伝導回路システム１５０はまた、ＡＣ入力信号をＤＣ信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎに変換するように構成される複数の個々のジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４を含む。図４の例において、ＡＣ入力信号は、図２及び３の例に示されているような同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱとして示されている。例として、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の各々は、図２の例におけるジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器５０とほぼ同様に構成することができる。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４は、ループの周りにＳＦＱパルスを伝搬するようにほぼ同様に各々構成される４つのステージを含む磁束シャトルループを各々含み、個々の出力インダクタを介して個々のＤＣ出力信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎに統合される電流パルスを生成する。ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４はまた、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４に供給され得る初期化信号ＩＮＴＬを受信して、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の動作を初期化して、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱをＤＣ信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎに変換するように示されている。図４の例において、同じ初期化信号ＩＮＴＬは、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の各々に供給されて、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の全てが、一緒に動作してＤＣ出力信号ＩＤＣ１〜ＩＤＣ＿Ｎを生成するようにする。しかしながら、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の各々に、別個の初期化信号ＩＮＴＬが供給されて、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４が、ＤＣ出力信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎの組み合わせを供給するために独立して制御され得ることを理解されたい。更に、図４の例において、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４が並列に配置されているが、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４が、その代わりに、直列に配置されて、増加した振幅を有する単一のＤＣ出力信号を集合的に生成し得ることを理解されたい。
従って、前に説明したのと同様に、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４は、抵抗器がないことに基づいて、電力効率の良い方法で、同相ＡＣ入力信号ＡＣＩ及び直交位相ＡＣ入力信号ＡＣＱをＤＣ信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎに変換するために動作することができる。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４は、電流パルスを介してのみ電力を消費して、個々のＤＣ信号ＩＤＣ＿１〜ＩＤＣ＿Ｎをデバイス１５２に供給して、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４の各々において、磁束シャトルループの周りを伝搬するＳＦＱパルスを維持するために追加の電力が消費されない。更に、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４は、典型的な抵抗ベースのＤＣ電源と対照的に、静的な電力消費によってほぼ熱を発生しない。従って、ジョセフソンＡＣ／ＤＣ変換器１５４は、超伝導回路システム１５０において効率的且つ効果的に動作することができる。
上記で説明した前述の構造及び構造的特徴に鑑みて、本発明の様々な態様による方法は、図５に関連してより良く理解されよう。説明の簡略化のために、図５の方法は、順次的に実行されるように示され説明されているが、本発明が、示されている順序によって限定されないことを理解されたい。何故なら、幾つかの態様が、本発明に従って、本明細書で示され説明されているのとは異なる順序で、且つ／又は他の態様と同時に行われ得るからである。更に、全ての示されている特徴が、本発明の態様に従って方法を実行するために要求されるわけではない。
図５は、ＡＣ入力信号（例えばＡＣ入力信号ＡＣ）に基づいてＤＣ出力信号（例えばＤＣ出力信号ＩＤＣ）を供給するための方法２００の例を示す。２０２において、初期化バイアス電流（例えば初期化バイアス電流ＩＢ＿ＩＮ）が、複数のステージ（例えばステージ５４、５６、５８及び６０）を含む磁束シャトルループ（例えば磁束シャトルループ１６）に供給される。２０４において、複数のステージの各々と誘導結合されるＡＣ入力信号が供給される。２０６において、複数のステージの各々に関連するジョセフソン接合（例えばジョセフソン接合Ｊ２）が、ＡＣ入力信号の周波数に基づいて連続的にトリガされて、磁束シャトルループの周りにＳＦＱパルスを循環させて、出力インダクタ（例えば出力インダクタＬＯＵＴ）を通してＤＣ出力信号を生成する。
上記で説明したものは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明するためのコンポーネント又は方法の全ての考えられる組み合わせを示すことは不可能であるが、しかし当業者は、本発明の多くの更なる組み合わせ及び置き換えが可能であることを理解されよう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に入る全てのかかる変更、修正及び変形を包含するように意図されている。

Claims (20)

  1. ＡＣ／ＤＣ変換器システムであって、
    ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループと、
    前記磁束シャトルループに関して離間され、前記ＡＣ入力信号に応答して連続的にトリガして、前記磁束シャトルループの周りを連続的に移動する単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力信号が供給されるように構成された複数のジョセフソン接合と
    を備えるＡＣ／ＤＣ変換器システム。
  2. 前記磁束シャトルループが、前記磁束シャトルループを前記ＡＣ入力信号と誘導結合するように構成された複数の変圧器を更に含み、前記ＡＣ入力信号が、前記複数の変圧器の各々の一次巻線を通して供給されて、前記複数の変圧器の各々の二次巻線にバイアス電流が誘導される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記複数の変圧器の第１の部分の各々の前記一次巻線が、前記複数の変圧器の第２の部分の一次巻線に対して逆極性を有しており、前記ＡＣ入力信号の第２の極性部分が、前記複数の変圧器の前記第１の部分の前記二次巻線において第１の方向に前記バイアス電流を誘導し、前記ＡＣ入力信号の第１の極性部分が、前記複数の変圧器の前記第２の部分の前記二次巻線において前記第１の方向にバイアス電流を誘導する、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記ＡＣ入力信号が、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号を含む、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記磁束シャトルループが、前記同相ＡＣ入力信号及び前記直交位相ＡＣ入力信号の各々と前記磁束シャトルループを誘導結合するように構成された複数の変圧器を更に含み、前記同相ＡＣ入力信号が、前記複数の変圧器の第１の部分の一次巻線を通して供給されて、前記複数の変圧器の第１の部分の二次巻線にバイアス電流を誘導し、前記直交位相ＡＣ入力信号が、前記複数の変圧器の第２の部分の一次巻線を通して供給されて、前記複数の変圧器の第２の部分の二次巻線にバイアス電流を誘導する、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記複数の変圧器の前記第２の部分の各々の前記一次巻線が、前記複数の変圧器の前記第１の部分の前記一次巻線に対して逆極性を有しており、前記同相ＡＣ入力信号及び前記直交位相ＡＣ入力信号の各々の第２の極性部分が、前記複数の変圧器の前記第２の部分の前記二次巻線において第１の方向にバイアス電流を誘導し、前記同相ＡＣ入力信号及び前記直交位相ＡＣ入力信号の各々の第１の極性部分が、前記複数の変圧器の前記第１の部分の前記二次巻線において前記第１の方向にバイアス電流を誘導する、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記磁束シャトルループが、初期化変圧器を更に含み、該初期化変圧器は、該初期化変圧器の一次巻線を通して供給される初期化信号に応答して前記磁束シャトルループに初期化バイアス電流を供給するように構成された二次巻線を有する、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記磁束シャトルループが、複数のステージを含み、前記複数のステージの各々が、複数のジョセフソン接合と、前記複数のステージの個々の１つを前記ＡＣ入力信号と誘導結合するように構成された変圧器とを含み、前記複数のステージの第１のステージが、初期化変圧器を含み、該初期化変圧器は、前記複数のステージの第１のステージにおいてＳＦＱパルスを介して生成された電流パルスが前記初期化変圧器の前記二次巻線を介して前記複数のステージの第２のステージに供給されるようにする、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記磁束シャトルループが、複数のステージを含み、前記複数のステージの各々が、
    前記ＡＣ入力信号の誘導結合に基づいてバイアス電流を生成するように構成された変圧器と、
    前記バイアス電流に応答してトリガして電流パルスを生成するように構成されたジョセフソン接合と、
    前記複数のステージの個々の１つを前記出力インダクタと相互接続し、前記電流パルスを前記出力インダクタに供給するように構成された蓄積インダクタと
    を含む、請求項１に記載のシステム。
  10. 請求項１に記載の複数のＡＣ／ＤＣ変換器システムを備える超伝導回路システムであって、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器システムが、複数の個々のＤＣ出力信号を生成するように構成される超伝導回路システム。
  11. ＡＣ入力信号に基づいてＤＣ出力信号を供給するための方法であって、
    複数のステージを含む磁束シャトルループに初期化バイアス電流を供給すること、
    前記複数のステージの各々と誘導結合される前記ＡＣ入力信号を供給すること、
    前記ＡＣ入力信号に応答して前記複数のステージの各々に関連するジョセフソン接合を連続的にトリガして、前記磁束シャトルループの周りに単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを循環させて、出力インダクタを通して前記ＤＣ出力信号を生成すること
    を含む方法。
  12. 前記ＡＣ入力信号の供給が、前記複数のステージの１つと各々関連する複数の変圧器の各々の一次巻線に前記ＡＣ入力信号を供給して、複数の変圧器の各々の二次巻線にバイアス電流を誘導することを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記一次巻線への前記ＡＣ入力信号の供給が、
    前記複数の変圧器の第１の部分の各々の前記一次巻線に前記ＡＣ入力信号を供給して、前記ＡＣ入力信号の第１の極性部分に応答して第１の方向において前記二次巻線に前記バイアス電流を誘導すること、
    前記複数の変圧器の第２の部分の各々の前記一次巻線に前記ＡＣ入力信号を供給して、前記ＡＣ入力信号の第２の極性部分に応答して前記第１の方向において前記二次巻線に前記バイアス電流を誘導すること
    を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記ＡＣ入力信号の供給が、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号を供給することを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 初期化信号の供給が、初期化変圧器の一次巻線を通してＤＣ初期化信号を供給して、前記磁束シャトルループにバイアス電流を誘導することを含む、請求項１１に記載の方法。
  16. 初期化信号の供給が、複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々に関連する磁束シャトルループに前記初期化信号を供給することを含み、前記ＡＣ入力信号の供給が、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々に前記ＡＣ入力信号を供給することを含み、前記複数のステージの各々に関連する前記ジョセフソン接合を連続的にトリガすることが、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々に関連する前記磁束シャトルループの前記複数のステージの各々に関連するジョセフソン接合を連続的にトリガして、前記複数のＡＣ／ＤＣ変換器の各々に関連する出力インダクタを通してＤＣ出力信号を生成することを含む、請求項１１に記載の方法。
  17. ＡＣ／ＤＣ変換器システムであって、
    複数のステージを含み、且つＡＣ入力信号を受信するように構成された磁束シャトルループであって、前記複数のステージの各々が、
    前記複数のステージの各１つへの前記ＡＣ入力信号の誘導結合に基づいて、バイアス電流を生成するように構成された変圧器と、
    前記バイアス電流に応答してトリガして、単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給するように構成されたジョセフソン接合と、
    出力インダクタと相互接続され、ＳＦＱパルスに応答して電流パルス出力を供給するように構成された蓄積インダクタと、
    を含む前記磁束シャトルループと、
    前記蓄積インダクタの各々に結合され、前記蓄積インダクタの各々から連続的に供給される受信した電流パルス出力に基づいてＤＣ出力信号を供給するように構成された出力インダクタと
    を備えるＡＣ／ＤＣ変換器システム。
  18. 複数の位相の各々に関連する前記変圧器が、前記ＡＣ入力信号の周波数に基づいて、前記複数のステージの各々を介して順に前記バイアス電流を生成して、複数の位相の各々に関連する前記ジョセフソン接合が、順にトリガして、前記磁束シャトルループの周りに前記ＳＦＱパルスを供給するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記ＡＣ入力信号が、同相ＡＣ入力信号及び直交位相ＡＣ入力信号を含み、前記同相ＡＣ入力信号が、前記複数のステージの第１の部分の各々において、前記変圧器の一次巻線を通して供給されて、前記複数のステージの第１の部分の各々において、前記変圧器の二次巻線に前記バイアス電流を誘導し、前記直交位相ＡＣ入力信号が、前記複数のステージの第２の部分の各々において、前記変圧器の一次巻線を通して供給されて、前記複数のステージの第２の部分の各々において、前記変圧器の二次巻線に前記バイアス電流を誘導する、請求項１７に記載のシステム。
  20. 前記複数のステージの第１の部分の各々における前記変圧器の前記一次巻線が、前記複数のステージの第２の部分の各々における前記変圧器の前記一次巻線に対して逆極性を有しており、前記同相ＡＣ入力信号及び前記直交位相ＡＣ入力信号の各々における第２の極性部分が、前記複数のステージの第２の部分の各々において、前記変圧器の前記二次巻線において第１の方向にバイアス電流を誘導し、前記同相ＡＣ入力信号及び前記直交位相ＡＣ入力信号の各々における第１の極性部分が、前記複数のステージの第１の部分の各々において、前記変圧器の前記二次巻線において前記第１の方向にバイアス電流を誘導する、請求項１９に記載のシステム。
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