JP2022514663A - ジョセフソン電流源システム - Google Patents

Abstract

一実施形態は、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ジョセフソン電流源システムを記載している。磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含む複数の段を含む。複数の段は、磁束シャトルループの周りに間隔をおいて配置することができる。複数の段の複数の対の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスで同時にトリガするとともに、個々の段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りの複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される。

Description

本発明は、概して、量子および古典的デジタル超伝導回路、具体的には、ジョセフソン電流源システムに関する。

超伝導デジタル技術は、前例のない高速、低消費電力、および低動作温度の点で利点のあるコンピューティングおよび／または通信リソースを供給してきた。超伝導デジタル技術は、ＣＭＯＳ技術に対する代替手段として開発され、典型的には、超伝導ジョセフソン接合を利用した超伝導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レートで約４ｎＷ（ナノワット）の典型的な信号電力を示すことができ、かつ約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、このような回路の電力バジェットは、能動デバイスがスイッチングしているか否かに関係なく発生する静的な消費電力が支配的である。一般的なシステムでは、バイアス抵抗ネットワークを使用してＤＣバイアス電流を直接供給することができるが、この場合、実質的に大電流（１アンペア以上）となり、スプリアス磁界および高電力損失による熱が発生する可能性がある。

一実施形態は、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ジョセフソン電流源システムを記載している。磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含む複数の段を含む。複数の段は、磁束シャトルループの周りに間隔をおいて配置することができる。複数の段の複数の対の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスで同時にトリガするとともに、個々の段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りの複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される。

別の実施形態は、ＤＣ出力電流を供給するための方法を含む。方法は、複数の段を含む磁束シャトルループにバイアス電流を供給するステップを含む。方法は、複数の段の各々と誘導結合されるレシプロカル量子論理（ＲＱＬ）クロック信号を供給して、ＲＱＬクロック信号およびバイアス電流に応答して複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合をシーケンシャルにトリガして、前記複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りに一対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを連続的に循環させて、出力インダクタを介してＤＣ出力電流を生成するステップをも含む。

別の実施形態は、ジョセフソン電流源システムを含む。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。磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含むとともに、フローティング基準ノード（floating reference node）を基準とする複数のジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段を含むことができる。複数のＪＴＬ段は、磁束シャトルループの周りに間隔をおいて配置することができる。複数のＪＴＬ段の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスでトリガするとともに、個々のＪＴＬ段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りの複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される。

一例の超伝導回路システムを示す図。 一例のジョセフソン電流源システムを示す図。 一例のジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段を示す図。 別の例の超伝導回路システムを示す図。 ＤＣ出力電流を供給するための一例の方法を示す図。

本発明は、概して、量子および古典的デジタル超伝導回路、具体的には、ジョセフソン電流源システムに関する。ジョセフソン電流源システムは、複数の段を備える磁束シャトルループを含む。複数の段の各々は、変圧器、少なくとも１つのジョセフソン接合、および少なくとも１つのインダクタを含むジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）として構成することができる。変圧器は、ＡＣ入力信号を磁束シャトルループに誘導結合して、ＡＣ入力信号が個々のＪＴＬ段におけるジョセフソン接合にバイアスを供給するように構成されている。例えば、ＡＣ入力信号は、同位相成分と直交位相成分を含むＲＱＬクロック信号とすることができる。本明細書で提供されるように、同位相成分および直交位相成分はそれぞれ、単一の「ＲＱＬクロック信号」として集合的に記述される別個の正弦波信号（例えば、９０°だけ位相がずれている）に対応する。段は個々の対として配置されており、各対は、誘導された位相に基づいてＡＣ入力信号の所与の位相に応答して活性化される。

磁束シャトルループは、ＤＣバイアス電流に応答してバイアス初期化電流を生成するように構成された少なくとも１つの初期化変圧器（initialization transformer）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と、各段の変圧器を介してＡＣ入力信号によって供給されるバイアスとに応答して、所与の対の各段のジョセフソン接合（単数または複数）が対ごとにシーケンスでトリガして、ＡＣ入力信号の周波数に基づいて磁束シャトルループの周りに個々の対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスが供給される。一例として、ＳＦＱパルスは、ＡＣ入力信号の各正のサイクルおよび負のサイクルで複数の対の段の各々を介して伝搬することができる。ＳＦＱパルスは、複数の段の各々のインダクタに供給されて、出力インダクタに個々の電流パルスが供給されて、出力インダクタがＤＣ出力電流を供給する。

さらに、磁束シャトルループの段（例えば、ＪＴＬ段）は、システム全体の「グランド」接続とは対照的に、共通のフローティング基準ノードに対して配置することができる。その結果、ジョセフソン電流源システムは、複数の磁束シャトルループを含むことができる。例として、磁束シャトルループの所与の１つは、別の磁束シャトルループのフローティング基準ノードに結合された出力を有することができる。この場合、複数の磁束シャトルループをカスケード接続することができ、各磁束シャトルループは、ＡＣ入力信号の各位相において加算（additive）２Φ_０を供給して、カスケードにおいて基準が加算的となり、出力インダクタに出力電流の大きな振幅を供給することができる。

図１は、一例の超伝導回路システム１０を示す。一例として、超伝導回路システム１０は、量子メモリまたは処理システムなどの様々な量子コンピューティングの応用例のいずれかにおいて実施することができる。超伝導回路システム１０は、デバイス１２およびジョセフソン電流源システム１４を含む。ジョセフソン電流源システム１４は、図１の例においてＤＣ電流Ｉ_ＤＣとして示されているＤＣ電流をデバイス１２に供給するように構成される。一例として、ＤＣ電流Ｉ_ＤＣは、デバイス１２を駆動するための電力信号また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、メモリシステム（例えば、メモリセルのアレイ）用の電流ドライバに対応することができ、電流ドライバとして構成されたデバイス１２は、行または列のメモリセルに読出し電流または書込み電流を供給することができる。

ジョセフソン電流源システム１４は、ＡＣ入力信号ＣＬＫをＤＣ電流Ｉ_ＤＣに変換するように構成される。一例として、ＡＣ入力信号ＣＬＫは、実質的に一定の周波数（例えば、約１０ＧＨｚ）および低いＡＣ電流振幅を有する正弦波形とすることができる。例えば、ＡＣ入力信号ＣＬＫは、レシプロカル量子論理（ＲＱＬ：reciprocal quantum logic）クロック信号（例えば、超伝導回路（例えば、約２ｍＡ ＲＭＳ）で実施されるような）などのクロック信号に対応することができる。ジョセフソン電流源システム１４は、ジョセフソン電流源システム１４の動作を初期化してＡＣ入力信号ＣＬＫをＤＣ電流Ｉ_ＤＣに変換するために、ジョセフソン電流源システム１４に供給することができるバイアス信号ＢＩＡＳを受信するものとして示されている。一例として、バイアス信号ＢＩＡＳは、ジョセフソン電流源システム１４の動作を維持するために、ジョセフソン電流源システム１４に実質的に連続的に供給されるＤＣ電流とすることができる。例えば、バイアス信号ＢＩＡＳは、本明細書でより詳細に説明されるように、一対の変圧器を介してバイアス初期化電流（bias initialization current）を誘導することができる。

図１の例では、ジョセフソン電流源システム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、隣接する一対の段を介してなど、ＡＣ入力信号ＣＬＫの周波数に基づいて、ジョセフソン電流源システム１４の動作中に、磁束シャトルループ１６の周りに一対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを伝達するように構成された複数の段を含むことができる。本明細書で説明するように、磁束シャトルループ１６に関する「ループ」という用語は、第１の段が最終段に結合されるように（例えば、初期化変圧器を介して）、複数の段の磁束シャトルループ１６の実質的に連続したループ（例えば、円形）構成を記載している。従って、ＳＦＱパルスは、バイアス信号ＢＩＡＳが供給されている間、磁束シャトルループ１６の周りを実質的に連続的に伝搬することができる。一例として、複数の段の磁束シャトルループ１６は、本明細書でより詳細に説明するように、ジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ：Josephson transmission line）段として構成することができる。

磁束シャトルループ１６は、抵抗なしで配置することができる。一例として、磁束シャトルループ１６の各段は、変圧器と、少なくとも１つのジョセフソン接合と、少なくとも１つのインダクタとを含むことができる。変圧器は、ＡＣ入力信号ＣＬＫが磁束シャトルループ１６にバイアスを供給するように、ＡＣ入力信号ＣＬＫ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ＣＬＫによって誘導されるバイアスは、バイアス信号ＢＩＡＳを介して生成されるバイアス初期化電流に追加することができる。従って、集合的なバイアスに応答して、磁束シャトルループ１６の各段におけるジョセフソン接合（単数または複数）は、ＡＣ入力信号ＣＬＫ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パルスを生成するようにトリガする。一例として、ＳＦＱパルスは、ＡＣ入力信号ＣＬＫの各正のサイクルおよび各負のサイクルにおいて１対の段を介して伝搬することができる。従って、１対のＳＦＱパルスは、磁束シャトルループ１６の周りを伝搬するとともに、磁束シャトルループ１６の個々の対の段の各々に関連する個々のストレージインダクタに供給されて、例えば、ジョセフソン電流源システム１４における出力インダクタＬ_ＯＵＴに、電流パルスを供給することができる。従って、ＤＣ電流Ｉ_ＤＣは、ＡＣ入力信号ＣＬＫの周波数に基づいて出力インダクタＬ_ＯＵＴにシーケンシャルに供給される電流パルスに基づいて、出力インダクタＬ_ＯＵＴを介して流れることができる。例えば、電流パルスは、小さな電圧（例えば、約２μＶ／ＧＨｚ）を各インダクタに供給するＳＦＱパルスに基づいて生成することができるため、結果として生じる電流パルスを出力インダクタにおいて統合して、ＤＣ電流Ｉ_ＤＣを提供することができる。

さらに、ジョセフソン電流源システム１４は、各々が個々の１つの磁束シャトルループ（単数または複数）１６に対応することができる１つまたは複数のフローティング基準ノード１８を含む。例として、フローティング基準ノード（単数または複数）１８は、図１の例において２０で示されている、ジョセフソン電流源システム１４に関連するグローバルグランドとは対照的に、ローカル電圧基準に対応することができる。一例として、磁束シャトルループ（単数または複数）１６は、カスケード構成または「スタック」構成で配置することができ、その構成では、磁束シャトルループ（単数または複数）１６の所与の１つの出力を次の磁束シャトルループ１６のフローティング基準ノード１８に結合することができる。従って、カスケード構成またはスタック構成における後続の磁束シャトルループ（単数または複数）１６によって供給される電圧パルスは、互いに対して加算的であり、一対のＳＦＱパルスが、磁束シャトルループ（単数または複数）１６の各々のＡＣ入力信号ＣＬＫのサイクル毎に加算２Φ_０を供給することができる。従って、磁束シャトルループ（単数または複数）１６の最後は、出力インダクタＬ_ＯＵＴを介して実質的により大きな出力ＳＦＱパルスを提供するとともに、出力電流Ｉ_ＯＵＴの実質的により大きな振幅をデバイス１２に提供するように出力インダクタＬ_ＯＵＴに結合された出力を有することができる。

従って、ジョセフソン電流源システム１４は、電力効率の良い方法で、ＡＣ入力信号ＣＬＫをＤＣ電流Ｉ_ＤＣに変換するように動作することができる。前述したように、ジョセフソン電流源システム１４は、抵抗なしで実施することができる。従って、ジョセフソン電流源システム１４は、ＤＣ電流Ｉ_ＤＣをデバイス１２に提供するために電流パルスにより電力を消費するだけであり、その結果、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は消費されない。さらに、ジョセフソン電流源システム１４は、典型的な抵抗ベースのＤＣ電源とは対照的に、静的電力消費により実質的に熱を発生させることがない。従って、ジョセフソン電流源システム１４は、特に量子コンピューティング環境において、典型的なＡＣ／ＤＣコンバータよりも効率的かつ効果的に動作することができる。さらに、ＡＣ入力信号ＣＬＫの各サイクルにおいて２つのＳＦＱパルスを供給するように磁束シャトルループ（単数または複数）１６の各々を実施すること、および複数の磁束シャトルループ１６のカスケード構成／スタック構成を設けることによって、出力電流Ｉ_ＯＵＴは、より大きな振幅で提供することができ、かつ／または例えば、他の磁束シャトルループ電流源に対して、より迅速な方法で最大振幅に復元することができる。

図２は、一例のジョセフソン電流源システム５０を示す。ジョセフソン電流源システム５０は、超伝導回路システム１０におけるジョセフソン電流源システム１４に対応することができる。従って、ジョセフソン電流源システム５０は、図２の例において第１の段５４、第２の段５６、第３の段５８、第４の段６０、第５の段６２、第６の段６４、第７の段６６、および第８の段６８として示されている複数の段を含む磁束シャトルループ５２を含む。段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８は、シーケンシャルに結合されて、ループ構成を形成する。ジョセフソン電流源システム５０は、ＡＣ入力信号ＣＬＫをＤＣ出力電流Ｉ_ＯＵＴに変換するように構成される。図２の例では、ＡＣ入力信号ＣＬＫは、同位相成分ＣＬＫ_Ｉと直交位相成分ＣＬＫ_Ｑを含むＲＱＬクロック信号として示されている。一例として、同位相成分ＣＬＫ_Ｉおよび直交位相成分ＣＬＫ_Ｑは、量子コンピューティング回路においてＲＱＬのために実施されるＡＣ入力信号に集合的に対応することができる。ＤＣ出力電流Ｉ_ＯＵＴは、出力インダクタＬ_ＯＵＴを介して流れるように示されている。

段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８の各々は、互いに実質的に同様に構成され、かつＪＴＬ段に対応することができる。第１の段５４は、インダクタＬ_Ｌ１を介して第２の段５６に結合され、第２の段５６は、インダクタＬ_Ｌ２を介して第３の段５８に結合されている。第１および第２の段５４および５６は各々、ＡＣ入力信号ＣＬＫの２７０°の位相、即ち、直交位相成分ＣＬＫ_Ｑの第１の位相に関連付けられている。第３の段５８は、インダクタＬ_Ｌ３を介して第４の段６０に結合されている。第３および第４の段５８および６０は各々、ＡＣ入力信号ＣＬＫの０°の位相、即ち、同位相成分ＣＬＫ_Ｉの第１の位相に関連付けられている。第５の段６２は、インダクタＬ_Ｌ４を介して第６の段６４に結合され、第６の段６４は、インダクタＬ_Ｌ５を介して第７の段６６に結合されている。第５および第６の段６２および６４は各々、ＡＣ入力信号ＣＬＫの９０°の位相、即ち、直交位相成分ＣＬＫ_Ｑの第２の位相に関連付けられている。第７の段６６は、インダクタＬ_Ｌ６を介して第８の段６８に結合されている。第７および第８の段６６および６８は各々、ＡＣ入力信号ＣＬＫの１８０°の位相、即ち、同位相成分ＣＬＫ_Ｉの第２の位相に関連付けられている。

図２の例では、同位相成分ＣＬＫ_ＩはインダクタＬ_Ｃ１およびインダクタＬ_Ｃ３を介して伝搬する。インダクタＬ_Ｃ１は、第１のストレージインダクタＬ_Ｏ１に誘導結合され、インダクタＬ_Ｃ３は、第３のストレージインダクタＬ_Ｏ３に誘導結合されている。従って、同位相成分ＣＬＫ_Ｉは、同位相成分ＣＬＫ_Ｉの第１の位相の間に段５８および６０にバイアスを供給することができ、例えば、インダクタＬ_Ｃ１およびＬ_Ｏ１に対するインダクタＬ_Ｃ３およびＬ_Ｏ３の反対の巻線方向に基づいて、同位相成分ＣＬＫ_Ｉの第２の（反対の）位相の間に段６６および６８にバイアスを供給することができる。同様に、直交位相成分ＣＬＫ_ＱはインダクタＬ_Ｃ２およびインダクタＬ_Ｃ４を介して伝搬する。インダクタＬ_Ｃ２は、第２のストレージインダクタＬ_Ｏ２に誘導結合され、インダクタＬ_Ｃ４は、第４のストレージインダクタＬ_Ｏ４に誘導結合されている。従って、直交位相成分ＣＬＫ_Ｑは、直交位相成分ＣＬＫ_Ｑの第１の位相の間に段６２および６４にバイアスを供給することができ、例えば、インダクタＬ_Ｃ２およびＬ_Ｏ２に対するインダクタＬ_Ｃ４およびＬ_Ｏ４の反対の巻線方向に基づいて、直交位相成分ＣＬＫ_Ｑの第２の（反対の）位相の間に段５４および５６にバイアスを供給することができる。

さらに、ジョセフソン電流源システム５０は、第１の初期化変圧器Ｔ_１および第２の初期化変圧器Ｔ_２を含む。第１の初期化変圧器Ｔ_１は、第８の段６８と第１の段５４との間に配置されているとともに、一次巻線Ｌ_Ｐ１および二次巻線Ｌ_Ｓ１を含む。第２の初期化変圧器Ｔ_２は、第４の段６０と第５の段６２との間に配置されているとともに、一次巻線Ｌ_Ｐ２および二次巻線Ｌ_Ｓ２を含む。ＤＣバイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳは、電流源７０から供給されるとともに、変圧器Ｔ_１およびＴ_２の各々の一次巻線Ｌ_Ｐ１およびＬ_Ｐ２を通るように流れる。バイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳは、段５４、５６、５８、および６０を通ってグランドに流れる二次インダクタＬ_Ｓ１を介する第１のバイアス初期化電流Ｉ_Ｂ１を誘導するとともに、段６２、６４、６６、および６８を通ってグランドに流れる二次インダクタＬ_Ｓ２を介する第２のバイアス初期化電流Ｉ_Ｂ１を誘導する。一例として、バイアス電流はそれぞれ、クロック信号ＣＬＫによって駆動されるように磁束シャトルループ５２の周りを伝搬する磁束量子に対応する。

前述したように、段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８は、ＪＴＬ段として配置することができる。図３は、一例のＪＴＬ段１００を示す。ＪＴＬ段１００は、図２の例における、実質的に同様に配置されたＪＴＬ段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８のいずれか１つに対応することができる。従って、以下の図３の例の説明では、図２の例が参照される。

図３の例において、ＪＴＬ段１００は、例えば、個々のインダクタＬ_Ｏ１、Ｌ_Ｏ２、Ｌ_Ｏ３、またはＬ_Ｏ４のうちの１つを介してＡＣ入力信号ＣＬＫを受信するように示されている。従って、ＪＴＬ段１００は、同位相成分ＣＬＫ_Ｉまたは直交位相成分ＣＬＫ_Ｑの個々の１つの第１および第２の位相のうちの１つを受信する。例えば、段５４および５６のうちの１つに対応するＪＴＬ段１００は、２７０°の位相でバイアスを供給することができ、段５８および６０のうちの１つに対応するＪＴＬ段１００は、０°の位相でバイアスを供給することができ、段６２および６４のうちの１つに対応するＪＴＬ段１００は、９０°の位相でバイアスを供給することができ、段６６および６８のうちの１つに対応するＪＴＬ段１００は、１８０°の位相でバイアスを供給することができる。

図３の例では、ＳＦＱパルスＰＬＳ_ＩＮは、入力１０２において例えば、前のＪＴＬ段から供給することができる。ＡＣ入力信号ＣＬＫおよびバイアス初期化電流Ｉ_Ｂ１またはＩ_Ｂ２によってバイアスされることに応答して、ＳＦＱパルスＰＬＳ_ＩＮは、第１のジョセフソン接合Ｊ_１をトリガし、第１のジョセフソン接合Ｊ_１は第２のジョセフソン接合Ｊ_２をトリガするためにインダクタＬ_ＳＴ１を介してかつインダクタＬ_ＳＴ２を介してＳＦＱパルスＰＬＳ_ＩＮを伝搬させる。従って、第２のジョセフソン接合Ｊ_２によって生成されたＳＦＱパルスは、第１の出力１０４において出力ＳＦＱパルスＰＬＳ_ＯＵＴとしてＪＴＬ段１００から提供される。従って、出力ＳＦＱパルスＰＬＳ_ＯＵＴは、次のＪＴＬ段１００における入力ＳＦＱパルスＰＬＳ_ＩＮとなるように、磁束シャトルループ５２内の次のＪＴＬ段１００に伝搬することができる。さらに、ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２のトリガにより、第２の出力１０６において提供される電流パルスＩ_ＳＸを供給することができる。

さらに、ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２は、図３の例において１０８で示されているフローティング基準ノードを基準としている。一例として、フローティング基準ノード１０８は、ジョセフソン電流源システム５０に関連するグローバルグランドとは対照的に、ローカル電圧基準に対応することができる。例えば、フローティング電圧基準ノード１０８は、バイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳに関連付けられるとともに、ＡＣ入力信号ＣＬＫに関連付けられたグランド接続とは別個に区別することができる。本明細書でより詳細に説明するように、フローティング基準ノード１０８は、ＪＴＬ段１００から供給される電流パルスＩ_ＳＸの振幅を、カスケード構成または「スタック」構成でフローティング基準ノード１０８に結合された出力を有する別の磁束シャトルループ５０に対してブーストするように実施することができる。

図２の例に戻ると、段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８の各々は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの関連する位相において個々のストレージインダクタに電流パルスＩ_ＳＸを供給するものとして示されている。図２の例では、第１のストレージインダクタＬ_Ｏ１は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの０°の位相において、第３の段５８から電流パルスＩ_Ｓ３を受け取るとともに、第４の段６０から電流パルスＩ_Ｓ４を受け取る。従って、電流パルスＩ_Ｓ３とＩ_Ｓ４は、第１のストレージインダクタＬ_Ｏ１において合成される。同様に、第２のストレージインダクタＬ_Ｏ２は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの９０°の位相において、第５の段６２から電流パルスＩ_Ｓ５を受け取るとともに、第６の段６４から電流パルスＩ_Ｓ６を受け取る。従って、電流パルスＩ_Ｓ５とＩ_Ｓ６は、第２のストレージインダクタＬ_Ｏ２において合成される。同様に、第３のストレージインダクタＬ_Ｏ３は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの１８０°の位相において、第７の段６６から電流パルスＩ_Ｓ７を受け取るとともに、第８の段６８から電流パルスＩ_Ｓ８を受け取る。従って、電流パルスＩ_Ｓ７とＩ_Ｓ８は、第３のストレージインダクタＬ_Ｏ３において合成される。同様に、第４のストレージインダクタＬ_Ｏ４は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの２７０°の位相において、第１の段５４から電流パルスＩ_Ｓ１を受け取るとともに、第２の段５６から電流パルスＩ_Ｓ２を受け取る。従って、電流パルスＩ_Ｓ１とＩ_Ｓ２は、第４のストレージインダクタＬ_Ｏ４において結合される。

ストレージインダクタＬ_Ｏ１およびＬ_Ｏ４はそれぞれ中間インダクタＬ_Ｉ１に結合され、ストレージインダクタＬ_Ｏ２およびＬ_Ｏ３はそれぞれ中間インダクタＬ_Ｉ２に結合されている。中間インダクタＬ_Ｉ１およびＬ_Ｉ２はそれぞれ、磁束シャトルループ５２の出力７２に結合されている。図２の例では、出力７２は出力インダクタＬ_ＯＵＴに結合されている。その結果、中間インダクタＬ_Ｉ１は電流パルスＩ_Ｓ１、Ｉ_Ｓ２、Ｉ_Ｓ３、およびＩ_Ｓ４を統合し、中間インダクタＬ_Ｉ２は電流パルスＩ_Ｓ５、Ｉ_Ｓ６、Ｉ_Ｓ７、およびＩ_Ｓ８を統合する。従って、統合された電流パルスＩ_Ｓ１、Ｉ_Ｓ２、Ｉ_Ｓ３、Ｉ_Ｓ４、Ｉ_Ｓ５、Ｉ_Ｓ６、Ｉ_Ｓ７、およびＩ_Ｓ８は、ＤＣ出力電流Ｉ_ＯＵＴを供給するために出力インダクタＬ_ＯＵＴにおいてさらに統合されて、結果的に、ジョセフソン電流源システム５０は、出力インダクタＬ_ＯＵＴの電流制限に基づく電流制限されたＤＣ信号源として機能する。結果として、ＤＣ出力電流Ｉ_ＯＵＴをデバイス（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。さらに、電流パルスＩ_Ｓ１、Ｉ_Ｓ２、Ｉ_Ｓ３、Ｉ_Ｓ４、Ｉ_Ｓ５、Ｉ_Ｓ６、Ｉ_Ｓ７、およびＩ_Ｓ８は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの各位相において磁束シャトルループ５２の周りを伝搬する２つのＳＦＱパルスに基づいて、対で出力インダクタＬ_ＯＵＴに（例えば、中間インダクタＬ_Ｉ１およびＬ_Ｉ２を介して）供給されるため、出力電流Ｉ_ＯＵＴの振幅は、例えば、他のジョセフソン電流源システムと比較して、急速に増加させることができる。

図２の例では、ストレージインダクタＬ_Ｏ１、Ｌ_Ｏ２、Ｌ_Ｏ３、およびＬ_Ｏ４が（例えば、中間インダクタＬ_Ｉ１およびＬ_Ｉ２を介して）出力インダクタＬ_ＯＵＴに結合されているが、出力７２は、代わりに、別の磁束シャトルループ５２に関連付けられたフローティング基準ノードに結合することができる。例えば、磁束シャトルループ５２は、出力インダクタＬ_ＯＵＴを介してデバイス１２に出力電流Ｉ_ＯＵＴを供給するようにカスケード構成またはスタック構成となっている最後の磁束シャトルループ５２とすることができ、１つまたは複数の先行する磁束シャトルループ５２は、図２の例に示されている磁束シャトルループ５２のフローティング基準ノードに結合された個々の出力７２を有する。

図４は、別の例の超伝導回路システム１５０を示す。超伝導回路システム１５０は、図１の例における超伝導システム１０と同様に実施することができるとともに、ＡＣ入力信号（例えば、ＲＱＬクロック信号）に応答して出力電流Ｉ_ＯＵＴをデバイス（例えば、デバイス１２）に提供するように構成することができる。超伝導回路システム１５０は、第１のジョセフソン電流源システム１５２、第２のジョセフソン電流源システム１５４、および第３のジョセフソン電流源システム１５６として示されている複数のジョセフソン電流源システムを含む。ジョセフソン電流源システム１５２の各々は、図２の例におけるジョセフソン電流源システム５０と実質的に同様に構成することができる。従って、以下の図４の例の説明では、図２の例が参照される。さらに、図４の例は３つのジョセフソン電流源システムを示しているが、代わりに３つより少ないか、または多いジョセフソン電流源システムを実施することができることが理解されるべきである。

ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の各々は、磁束シャトルループ１５８およびフローティング基準ノード１６０を含む。ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の各々の磁束シャトルループ１５８は、本明細書に記載されているのと同様に、例えば、隣接する一対の段を介して、ＡＣ入力信号ＣＬＫの周波数に基づいて、個々のジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の動作中に磁束シャトルループ１５８の周りに一対のＳＦＱパルスを転送するように構成された複数の段を含むことができる。従って、ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の各々の磁束シャトルループ１５８は、ＡＣ入力信号ＣＬＫの各位相において一対の個々の電流パルスを供給することができる。

さらに、第１のジョセフソン電流源システム１５２のフローティング基準ノード１６０はグランドに接続され、第１のジョセフソン電流源システム１５２の磁束シャトルループ１５８の出力は、第２のジョセフソン電流源システム１５４のフローティング基準ノード１６０に結合される。同様に、第２のジョセフソン電流源システム１５４の磁束シャトルループ１５８の出力は、第３のジョセフソン電流源システム１５６のフローティング基準ノード１６０に結合される。第３のジョセフソン電流源システム１５６の磁束シャトルループ１５８の出力は、ストレージインダクタＬ_ＯＵＴを介して出力電流Ｉ_ＯＵＴを提供するように構成される。従って、ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６は、カスケード構成または「スタック」構成で配置されている。従って、ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の各々における磁束シャトルループ１５８によって提供される電圧パルスは、互いに対して加算的であり、ジョセフソン電流源システム１５２、１５４、および１５６の各々の磁束シャトルループ１５８からの一対のＳＦＱパルスがＡＣ入力信号ＣＬＫのサイクル毎に加算２Φ_０を供給することができる。従って、第３のジョセフソン電流源システム１５６の磁束シャトルループ１５８は、出力インダクタＬ_ＯＵＴを介して実質的により大きな出力ＳＦＱパルスを提供するとともに、出力電流Ｉ_ＯＵＴの実質的により大きな振幅を関連するデバイスに提供するように出力インダクタＬ_ＯＵＴに結合された出力を有することができる。

上記した構造的および機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図５を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図５の方法は、連続的に実行するものとして図示され、説明されているが、いくつかの態様は、本発明に従って、本明細書に示され記載されているものとは異なる順序で、および／または他の態様と同時に生じることができるため、本発明は、図示された順序によって制限されないことが理解され、かつ認識されるべきである。さらに、本発明の態様による方法を実施するために、例示されている全ての特徴が必要とされるとは限らない。

図５は、ＤＣ出力電流（例えば、ＤＣ出力電流Ｉ_ＯＵＴ）を供給するための一例の方法２００を示す。２５２において、バイアス電流（例えば、バイアス電流Ｉ_ＢＩＡＳ）が、複数の段（例えば、段５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、および６８）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。２５４において、複数の段の各々と誘導結合されるＲＱＬクロック信号（例えば、ＡＣ入力信号ＣＬＫ）によって、ＲＱＬクロック信号およびバイアス電流に応答して複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合（例えば、ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２）がシーケンシャルにトリガされて、複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りに一対のＳＦＱパルスが連続的に循環されて、出力インダクタ（例えば、ストレージインダクタＬ_ＯＵＴ）を介してＤＣ出力電流が生成される。

上述した説明は、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明する目的で考えられる全ての構成要素または方法の組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。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ある全てのそのような変更、修正、および変形を包含することを意図している。

上述した説明は、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明する目的で考えられる全ての構成要素または方法の組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。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ある全てのそのような変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループを備えるジョセフソン電流源システムであって、前記磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含むとともに、フローティング基準ノードを基準とする複数のジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段を含み、複数のＪＴＬ段は、前記磁束シャトルループの周りに間隔を置いて配置されており、前記複数のＪＴＬ段の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスでトリガするとともに、個々のＪＴＬ段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して前記磁束シャトルループの周りの複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される、システム。
［付記２］
前記ＡＣ入力信号は、同位相成分および直交位相成分を含むレシプロカル量子論理（ＲＱＬ）クロック信号として構成され、前記ＪＴＬ段の各々は、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をバイアスするために、前記磁束シャトルループを、前記同位相成分および前記直交位相成分の個々の１つに誘導結合するように構成された変圧器を含む、付記１に記載のシステム。
［付記３］
前記複数のＪＴＬ段が、複数の対のＪＴＬ段を含み、各対のＪＴＬ段は、ＲＱＬクロック信号の所定の位相に応答して、個々の対のＪＴＬ段に関連する段の各々において、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をトリガして、前記磁束シャトルループ内を循環する個々の対の電流パルスを供給するように配置されており、各対の段の各々は、前記出力インダクタに個々の対の電流パルスを供給するように構成されたストレージインダクタに結合される、付記２に記載のシステム。
［付記４］
前記磁束シャトルループは、出力を各々が含む複数の磁束シャトルループのうちの少なくとも１つの磁束シャトルループの出力が、前記複数の磁束シャトルループの別の少なくとも１つの磁束シャトルループのフローティング基準ノードに結合されて、前記出力インダクタを通る前記複数の磁束シャトルループの各々の前記ＡＣ入力信号のサイクル毎に加算２Φ _０ を供給するようにする、付記１に記載のシステム。

Claims (20)

1. ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループを備えるジョセフソン電流源システムであって、前記磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含む複数の段を含み、前記複数の段は、前記磁束シャトルループの周りに間隔を置いて配置されており、前記複数の段の複数の対の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスで同時にトリガするとともに、個々の段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して前記磁束シャトルループの周りの前記複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される、システム。
2. 前記ＡＣ入力信号は、同位相成分および直交位相成分を含むレシプロカル量子論理（ＲＱＬ）クロック信号として構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の段の各々は、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をバイアスするために、同位相成分および直交位相成分のうちの個々の１つと結合される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数の段の各々は、ＡＣ入力信号の個々の位相を介してバイアスされるように構成されたジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段として配置される、請求項１に記載のシステム。
5. 複数のＪＴＬ段の各々は、フローティング基準ノードを基準とする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記磁束シャトルループは、出力を各々が含む複数の磁束シャトルループのうちの最初の磁束シャトルループであり、前記複数の磁束シャトルループの少なくとも１つの磁束シャトルループの出力が前記複数の磁束シャトルループの別の少なくとも１つの磁束シャトルループの前記のフローティング基準ノードに結合されて、前記出力インダクタを通る前記複数の磁束シャトルループの各々の前記ＡＣ入力信号のサイクル毎に加算２Φ_０が供給されるようにする、請求項５に記載のシステム。
7. 前記磁束シャトルループは、少なくとも１つの初期化変圧器をさらに含み、前記少なくとも１つの初期化変圧器は、前記初期化変圧器の一次巻線を介して供給されるバイアス電流に応答して、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. 前記少なくとも１つの初期化変圧器は、第１の初期化変圧器および第２の初期化変圧器を含み、前記第１および第２の初期化変圧器の各々は、前記複数の段に対して前記磁束シャトルループの周りに対称的に配置されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数の段は、複数の対の段を含み、各対の段は、ＡＣ入力信号の所定の位相に応答して、個々の対の段に関連する段の各々において、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をトリガして、個々の対の電流パルスを供給するように構成され、各対の段は、前記出力インダクタに個々の対の電流パルスを供給するように構成されたストレージインダクタに結合される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記複数の段の各々は、フローティング基準ノードを基準とし、前記磁束シャトルループは、出力を各々が含む複数の磁束シャトルループの最初の磁束シャトルループであり、前記複数の磁束シャトルループのうちの少なくとも１つの磁束シャトルループの出力は、前記複数の磁束シャトルループのうちの別の少なくとも１つの磁束シャトルループの前記フローティング基準ノードに結合され、前記複数の磁束シャトルループのうちの最後の磁束シャトルループが前記出力インダクタに結合されている、請求項１に記載のシステム。
11. ＤＣ出力電流を供給するための方法であって、
    複数の段を含む磁束シャトルループにバイアス電流を供給するステップと、
    複数の段の各々と誘導結合されるレシプロカル量子論理（ＲＱＬ）クロック信号を供給して、ＲＱＬクロック信号およびバイアス電流に応答して複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合をシーケンシャルにトリガして、前記複数の段の各々に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して磁束シャトルループの周りに一対の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを連続的に循環させて、出力インダクタを介してＤＣ出力電流を生成するステップと、を含む方法。
12. 前記ＲＱＬクロック信号を供給することは、前記ＲＱＬクロック信号を、前記複数の段の個々の対に同位相成分および直交位相成分の１つとして供給して、前記ＲＱＬクロック信号の個々の位相を介して前記複数の段の個々の対をバイアスすることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 初期化信号を供給することは、初期化変圧器の一次巻線を介してバイアス電流を供給して、前記磁束シャトルループに初期化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。
14. 前記バイアス電流を供給することは、前記磁束シャトルループ内に前記初期化バイアス電流を誘導するために前記複数の段に対して前記磁束シャトルループの周りに対称的に配置された第１の初期化変圧器および第２の初期化電流の各々の一次巻線を介してバイアス電流を供給することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数の段の各々が、前記ＲＱＬクロック信号の個々の位相を介してバイアスされるように構成されたジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段として配置されており、複数のＪＴＬ段の各々は、フローティング基準ノードを基準とする、請求項１１に記載の方法。
16. 前記バイアス電流を供給することは、複数の磁束シャトルループの各々に前記バイアス電流を供給することを含み、前記ＲＱＬクロック信号を供給することは、前記ＲＱＬクロック信号を前記複数の磁束シャトルループの各々に供給することを含み、前記複数の磁束シャトルループのうちの少なくとも１つの磁束シャトルループの出力は、前記複数の磁束シャトルループのうちの別の少なくとも１つの磁束シャトルループの前記フローティング基準ノードに結合されて、前記出力インダクタを通る前記複数の磁束シャトルループの各々の前記ＲＱＬクロック信号のサイクル毎に加算２Φ_０を供給する、請求項１５に記載の方法。
17. ＡＣ入力信号と誘導結合される磁束シャトルループを備えるジョセフソン電流源システムであって、前記磁束シャトルループは、少なくとも１つのジョセフソン接合を各々が含むとともに、フローティング基準ノードを基準とする複数のジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）段を含み、複数のＪＴＬ段は、前記磁束シャトルループの周りに間隔を置いて配置されており、前記複数のＪＴＬ段の各々は、ＡＣ入力信号に応答して、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合を介してシーケンスでトリガするとともに、個々のＪＴＬ段の各々の少なくとも１つのジョセフソン接合の各々を介して前記磁束シャトルループの周りの複数の段の各段を介してシーケンシャルにかつ連続的に移動する個々の単一磁束量子（ＳＦＱ）パルスを供給して、出力インダクタを介してＤＣ出力電流が供給されることとなるように構成される、システム。
18. 前記ＡＣ入力信号は、同位相成分および直交位相成分を含むレシプロカル量子論理（ＲＱＬ）クロック信号として構成され、前記ＪＴＬ段の各々は、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をバイアスするために、前記磁束シャトルループを、前記同位相成分および前記直交位相成分の個々の１つに誘導結合するように構成された変圧器を含む、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記複数のＪＴＬ段が、複数の対のＪＴＬ段を含み、各対のＪＴＬ段は、ＲＱＬクロック信号の所定の位相に応答して、個々の対のＪＴＬ段に関連する段の各々において、個々の少なくとも１つのジョセフソン接合をトリガして、前記磁束シャトルループ内を循環する個々の対の電流パルスを供給するように配置されており、各対の段の各々は、前記出力インダクタに個々の対の電流パルスを供給するように構成されたストレージインダクタに結合される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記磁束シャトルループは、出力を各々が含む複数の磁束シャトルループのうちの少なくとも１つの磁束シャトルループの出力が、前記複数の磁束シャトルループの別の少なくとも１つの磁束シャトルループのフローティング基準ノードに結合されて、前記出力インダクタを通る前記複数の磁束シャトルループの各々の前記ＡＣ入力信号のサイクル毎に加算２Φ_０を供給するようにする、請求項１７に記載のシステム。

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