JP4769938B2 - 大規模単一磁束量子論理回路 - Google Patents

Description

本発明は、大規模単一磁束量子論理回路に関する。

超伝導ループ中の単一磁束量子(Single Flux Quantum: ＳＦＱ)を情報担体とするＳＦＱ論理回路は、半導体ＣＯＭＳ集積回路等の半導体論理回路に比べてきわめて高速(例えば約１０倍以上)、かつ低消費電力（例えば約千分の１以下）で動作可能であり、次世代の集積回路技術として期待されている。

このＳＦＱ論理回路を、例えばジョセフソン接合の総接合数が１万接合以上の大規模な回路で実現するには様々な問題がある。このＳＦＱ論理回路の大規模化に際して考慮すべき問題として、ＤＣバイアス電流の影響である。ＳＦＱ論理回路は、その特性から磁界に対して非常に敏感な回路であり、また、ＳＦＱ論理回路を動作させるためには、原理上ＤＣバイアス電流を供給する必要である。

ＳＦＱ論理回路の大規模化に伴ってＤＣバイアス電流の供給量が増大すると、このＤＣバイアス電流が発生する磁界が回路に大きな影響を与え、回路のバイアスマージン（動作バイアス範囲）が顕著に減少するなどによって大規模回路が正常動作しないという問題がある。

このようなＤＣバイアス電流によって発生する磁場が顔路動作に及ぼす影響を防止する回路構成として、例えば特許文献１が提案されている。

この特許文献１で提案される構成では、回路を駆動するバイアス電流か供給される線路を、絶縁層を介して超伝導グランド層に上部に形成し、この絶縁層の厚さを絶縁性を確保できる範囲内で薄く構成し、バイアス電流供給線路と超伝導グランド層との距離を微小とするものである。

特開２００４−６４００４号公報 特開２００１−２５１１７９号公報 N. Yoshikawa, K. Yoda and J. Koshiyama, "A Resistively-Coupled-Cell-Based Design Approach for RSFQ Logic Circuits", Extended Abstract of 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC'01), Osaka, Japan, June, 2001, pp. 465-466.

単一磁束量子(ＳＦＱ)は、超伝導リングの一部にジョセフソン接合を設けることで形成され、ＳＦＱ論理回路は、このＳＦＱを組み合わせることで構成される。ＳＦＱ論理回路の回路規模は、例えばこのジョセフソン接合の接合数で表すことができる。

このジョセフソン接合を数千接合以上含む大規模なＳＦＱ論理回路では、ＤＣバイアス電流の総供給量が１Ａ以上に達する。前記したようにＤＣバイアス電流の総供給量が大きくなると回路動作に大きく影響する。

上記したＤＣバイアス電流等、これまで知られている回路動作に影響する要因をまとめると、以下のものがある。
（１）チップ上のバイアス供給線に流れる電流が発生する磁界の影響。
（２）ボンディングワイヤやチップキャリア等に流れる電流が発生する磁界の影響。
（３）グラウンドプレインを流れる鏡像電流の影響。

上記した（１）の影響については、バイアス供給線を超伝導シールドによって覆うことにより完全に排除できる。

また、上記した（２）の影響については、ボンディングワイヤやチップキャリアへの電流供給を全て差動供給とすることで、磁界の発生をキャンセルすることが知られている。

また、上記した（３）についても、超伝導配線とグラウンドプレインの間に鏡像電流が流れることを利用して、電流供給パッドのすぐ隣のパッドから等量の電流を引き抜く（差動電流供給）ことで、その影響をかなり低減できることがこれまでに知られている。

しかしながら、上記した各対策を講じても１万接合を超える回路の正常動作は難しいことが指摘されている。

図９は、大規模ＳＦＱ論理回路のグラウンドプレイン電流が回路動作に与える影響を説明するための図である。なお、図１０は、ＳＦＱ回路の断面図を示し、グラウンドプレイン上に、ＣＯＵ層やＢＡＳ層によってＳＦＱ回路のバイアス電流供給線路やＳＦＱ伝送線路を構成している。

図９は、１万２千接合（１２ｋ ＪＴＬ（Josephson Transmission Line）で構成されたジョセフソン線路に、外部からグラウンドプレイン電流を流した時の回路動作に与える影響を示し、表１は正常な回路動作が得られる最大のグラウンドプレイン電流に一実験例を示している。

図９に示す大規模ＳＦＱ論理回路において、ジョセフソン線路は横方向（水平方向）に配置されている。ここで、グラウンドプレイン電流はパッドａから供給され、等量の電流が各パッドｂ〜ｈから引き抜かれる。

例えば、パッドａから供給しパッドｂから引き抜く場合には、最大２１０ｍＡのグラウンドプレイン電流を流すことができるが、パッドａから供給しパッドｅやパッドｆから引き抜く場合には、最大１３ｍＡあるいは１７ｍＡ等の微小なグラウンドプレイン電流で回路動作が不安定となる。なお、ここでは、全バイアス電流を１．７８Ａとし、ＤＣバイアス電流マージンを−３３．８％〜＋２７．７％に設定している。

ＳＦＱ論理回路は、磁界に対して高感度なセンサー（ＳＱＵＩＤ）として作用することが知られており、上述したグラウンドプレイン電流が発生する磁場は、回路動作に影響を及ぼすと考えられる。しかしながら、グラウンドプレイン電流２０ｍＡが、１つのＳＱＵＩＤ構造に対して誘起する磁束量は、高々０．１Φ_０以下であり、図９及び表１に示す実験結果に示すような大きな影響があるとは考えられない。

ＳＦＱ論理回路に影響する磁界として、上記した回路自体のバイアス電流が発生する磁場の他に、外部磁界も考えられる。

このＳＦＱ論理回路に対する外部磁界の影響を除去するには、回路全体を超伝導シールドで覆い、外部磁界を完全に除去すれば良いが、外部磁界を完全にシールドすることは困難であり、また、回路自体のバイアス電流が発生する磁場が、少なからず回路に影響する。

したがって、大規模ＳＦＱ論理回路では、上記したように磁気シールドや差動電流供給等の対策によっても、正常な回路動作を得ることができないという問題がある。

本発明は前記した従来の問題点を解決し、大規模単一磁束量子論理回路を正常動作させることを目的とする。また、大規模単一磁束量子論理回路において、磁気シールドや差動電流供給によっても解決されない外部磁場の影響を低減することを目的とする。

本発明の大規模単一磁束量子論理回路は、単一磁束量子（ＳＦＱ）を情報担体とする単一磁束量子論理回路において、ジョセフソン接合の接合数が例えば１万接合を超える回路規模とするものであり、この大規模な回路を小規模な回路ブロックに分割し、各回路ブロック間において超伝導電流を分断することによって、外部磁界により各回路ブロックがＳＱＵＩＤとしての作用を制限し、これによって、外部磁界による回路動作への影響を低減させる。

本発明の大規模単一磁束量子論理回路の一態様は、分割された複数の回路ブロックと、回路ブロック間を抵抗接続する接続ブロックとを備えた構成とし、接続ブロックは回路ブロック間のみを抵抗接続する。

この回路ブロック間のみを抵抗接続する構成によって、各回路ブロック内の超伝導電流は他の回路ブロックと分断される。

各回路ブロックは、単一磁束量子（ＳＦＱ）を用いた論理回路を複数有すると共に、回路ブロック内の電流を超伝導電流とする。接続ブロックは、前記回路ブロック間を抵抗接続して各回路ブロック間の超伝導電流を分断し、回路ブロックを単位とする超伝導ループを形成する。

この超伝導電流の分断によって、外部磁界は各回路ブロックを単位として作用し、大規模単一磁束量子論理回路の回路全体はＳＱＵＩＤとして作用しない。これによって、大規模単一磁束量子論理回路の磁界に対する感度が減少し、回路規模が１万接合を超えるような大規模単一磁束量子論理回路であっても、回路を正常動作させることができる。

回路ブロック間を接続する抵抗の抵抗値は、その抵抗によって減衰したＳＦＱパルスが他の回路ブロックに伝搬された際に、その回路ブロック内での動作が有効である範囲内とする値である。

これによって、回路ブロック間においてＳＦＱパルスの伝搬を可能とすると共に、回路全体がＳＱＵＩＤとして作用することによる外部磁界の影響を低減することができる。

また、分割する回路ブロックの規模は、その回路ブロック内に含まれるジョセフソン接合の総接合数Ｎを２０００から１００００程度とすることができ、例えば、５０００程度に定めることができる。

また、分割する回路ブロックの規模は、外部磁束密度Ｂにその外部磁束が回路ブロック内の超伝導ループと鎖交する面積Ｓを乗じたＢ・Ｓを、その回路ブロックに含まれるジョセフソン接合の接合数Ｎで除した値Ｂ・Ｓ／Ｎが所定磁束ΦA以上となる接合数Ｎで定めてもよい。また、この所定磁束ΦAは、単一磁束量子Φ_０の磁束のＮ分の１の十分の一程度で定めることができる。

上記した回路ブロックは、本発明では単に回路規模を小さくして外部磁界による影響を低減するためのものであって、その回路ブロックが奏する機能とは独立させて設定させることができるが、各回路ブロックに各種機能を対応付けてもよい。例えば、複数の論理ゲートを組み合わせて所定に機能を奏する回路ブロックを構成してもよい。

抵抗は、その抵抗をループ内に持つジョセフソン線路や、その抵抗をループ内に持つ超伝導受動線路に設けることで、回路ブロック間に設けることができる。

上記した論理回路は、複数の論理ゲートを備えもよい。論理ゲートは、例えば論理積ゲート、論理和ゲート、排他的論理和ゲート、否定ゲート、Ｄフリップフロップ、ＲＳフリップフロップ、ＤＣ／ＳＦＱ変換回路、ＳＦＱ−ＤＣ変換回路、分岐回路、合流回路、マルチプレサ回路、デマルチプレサ回路等がある。

また、上記した外部磁界は、大規模単一磁束量子論理回路の外部からこの大規模単一磁束量子論理回路に作用する磁界に限らず、グラウンドプレイン電流によって発生する磁界でこの大規模単一磁束量子論理回路に作用する磁界とすることもできる。

なお、大規模単一磁束量子論理回路において、回路内に抵抗を設ける構成は、例えば非特許文献１や特許文献２に記載されている。

この非特許文献１や特許文献２には、大規模単一磁束量子論理回路が備える各ＳＦＱ論理回路において、信号伝達経路の抵抗が零であることにより、ジョセフソン接合に供給するためのバイアス電流が、そのジョセフソン接合の前段及び後段の回路に流れて干渉が生じて動作が不安定となるという問題を解決するものであり、本発明のように、外部磁場による回路動作に及ぼす影響を低減するものではない。

また、非特許文献１や特許文献２の抵抗の設置位置は、各基本論理ゲート間での直流バイアス電流の干渉を避けるために、各基本論理ゲート間設ける必要があり、本発明のように回路ブロック間に設けるものではない。

本発明の大規模単一磁束量子論理回路では、基本論理ゲート間設ける必要は無く、回路ブロック間にのみ設ければよいため、回路設計及び積層処理等による回路形成が容易であるほか、ＳＦＱパルスのパルスレベルの低下の影響を避けることができる。

以上説明したように、本発明によれば、規模単一磁束量子論理回路を正常動作させることができる。

また、大規模単一磁束量子論理回路において、磁気シールドや差動電流供給によっても解決されない外部磁場の影響を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

はじめに、図１を用いて本発明の大規模単一磁束量子論理回路が備える超伝導ループについて説明する。

図１に示す超伝導ループ１０は、超伝導リング１１の一部にジョセフソン接合１２ａ，１２ｂを形成して構成される。この超伝導ループ１０に外部から微小な磁界を加えると、超伝導リング１１の中には単一磁束量子(ＳＦＱ)Φ_０ ＝２．０７ｍＶｐｓを単位として、量子化された磁束が進入する。この単一磁束量子(ＳＦＱ)は非常に小さい物理量であり、これを情報の1ビットに対応させることで高性能な演算回路を構成することができる。

なお、Φ_０はｈ／２ｅで定義される定数であり、ｈはプランク定数、ｅは電子の電荷の大きさであり、Φ_０はほぼ２×１０^−５Ｖ・ｓに等しい。

図２は、上記した超伝導ループ１０を接続して形成されるジョセフソン伝送線路を説明するための図である。

図２において、ジョセフソン伝送線路２０は、超伝導リング１１（１１ａ〜１１ｇ）を１列に並べて超伝導線で接続することによって形成することができる。このジョセフソン伝送線路２０にＤＣバイアス電流（図中で上方から下方に向かう矢印で示している）を流し、次に例えば左端の超伝導リング１１ａに微小な磁場を加えると、超伝導リング１１ａにＳＦＱが１つ入る。超伝導リング１１ａ中に進入したＳＦＱは、超伝導リング１１ａに流れる電流から力を受け、隣の超伝導リング１１ｂに移動する。このＳＦＱの移動に要する時間は、２〜３ピコ秒と極めて短い時間である。ＳＦＱが超伝導リングを通過すると、電気的には図２に示すような電圧パルス（ＳＦＱパルス）が発生する。

図２では、超伝導ループ１０を１列に並べる構成例を示し、ＳＦＱを一方向に伝搬する例を示しているが、このＳＦＱの伝搬は、回路の構造やパラメータ値を工夫することにより自由に制御することができ、基本的には任意の論理演算を行うことができる。

前記したように、前記図１に示した超伝導ループ１０の構造は、磁界に対する高感度な磁界センサー（ＳＱＵＩＤ）として動作することが知られている。

前記図１０で示したように、回路のバイアスマージン（動作バイアス範囲）の顕著な減少による大規模回路の異常動作は、グラウンドプレイン電流により発生する磁場がＳＦＱ論理回路の回路動作に影響を及ぼしたことによるものと考えられる。しかしながら、グラウンドプレイン電流２０ｍＡは、１つのＳＦＱ論理回路を１つのＳＱＵＩＤ構造として見たとき、このＳＱＵＩＤに誘起される磁束量は高々０．１Φ_０以下に過ぎず、このわずかな磁束量によって表１の実験結果に示すような大きな影響があるとは考えられない。

そこで、この微小磁束による回路動作への影響について、図３及び図４の多接合ＳＦＱ論理回路の磁界応答を用いて検討する。ここで、多接合ＳＦＱ論理回路の磁界応答は、多接合ＳＦＱ論理回路を多接合ＳＱＵＩＤとして扱うことで検討することができる。

図３（ａ）は、１つの超伝導リングに２つのジョセフソン接合１２ａ，１２ｂを形成して構成される超伝導ループ１０を示し、この超伝導ループ１０は２つのジョセフソン接合を備える２接合ＳＱＵＩＤとして扱うことができる。なお、図３（ａ）中の “×”はジョセフソン接合１２ａ，１２ｂを示している。

この２接合ＳＱＵＩＤに外部磁束が印加されると、超伝導リング内を通る磁束に応答して流れる最大電流Ｉｃが変化する。なお、図３では、磁束密度Ｂextが印加される場合を示し、このとき超伝導リング内を通る磁束Φは、超伝導リング内の面積をＳとすると、Φ＝Ｂ・Ｓで表される。

図４（ａ）は、この２接合ＳＱＵＩＤに流れる最大電流Ｉｃの磁束変化を示している。２接合ＳＱＵＩＤでは、外部磁束の印加に対して２接合ＳＱＵＩＤの最大電流は周期的に変調され、その１周期は磁束量子Φ_０に対応している。

図３（ｂ）は、２つの超伝導リングに３つのジョセフソン接合１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成して構成されるジョセフソン伝送線路２０Ａを示し、このジョセフソン伝送線路２０Ａは３つのジョセフソン接合を備える３接合ＳＱＵＩＤとして扱うことができる。なお、図３（ｂ）中の“×”はジョセフソン接合１２ａ，１２ｂ，１２ｃを示している。

この３接合ＳＱＵＩＤに外部磁束が印加されると、超伝導ループ１０ａ，１０ｂ、及び超伝導ループ１０ａと１０ｂで構成される大きな超伝導ループ１０ab内を通る磁束に応答して流れる最大電流Ｉｃが変化する。

図４（ｂ）は、この３接合ＳＱＵＩＤに流れる最大電流Ｉｃの磁束変化を示している。３接合ＳＱＵＩＤでは、外部磁束の印加に対して大小２つの周期性が生じる。大きな周期は各ＳＱＵＩＤループ（超伝導ループ１０ａ，１０ｂ）に１つのＳＦＱが侵入したことに対応し、小さな周期はＳＱＵＩＤループ全体（大きな超伝導ループ１０ab）に１つのＳＦＱが侵入したことに相当する。

外部磁束の印加に対して３接合ＳＱＵＩＤの最大電流は周期的に変調され、その大きな１周期は磁束量子Φ_０に対応している。

図３（ｃ）は、（ｎ−１）個の超伝導リングにｎ個のジョセフソン接合１２ａ〜１２ｎを形成して構成されるジョセフソン伝送線路２０Ｂを示し、このジョセフソン伝送線路２０Ｂはｎ個のジョセフソン接合を備えるｎ接合ＳＱＵＩＤとして扱うことができる。なお、図３（ｂ）中の“×”はジョセフソン接合１２ａ〜１２ｎを示している。

このｎ接合ＳＱＵＩＤに外部磁束が印加されると、超伝導ループ１０ａ〜１０n-1、及び超伝導ループ１０ａ〜１０n-1で構成される大きな超伝導ループ１０_a〜n-1内を通る磁束に応答して流れる最大電流Ｉｃが変化する。

図４（ｃ）は、このｎ接合ＳＱＵＩＤに流れる最大電流Ｉｃの磁束変化を示している。ｎ接合ＳＱＵＩＤでは、外部磁束の印加に対してn-1個の周期性が生じる。大きな周期は各ＳＱＵＩＤループ（超伝導ループ１０ａ〜１０n-1）に１つのＳＦＱが侵入したことに対応し、小さな周期はＳＱＵＩＤループ全体（大きな超伝導ループ１０_a〜n-1）に１つのＳＦＱが侵入したことに相当する。

外部磁束の印加に対してｎ接合ＳＱＵＩＤの最大電流は周期的に変調され、その大きな１周期は磁束量子Φ_０に対応している。

図４に示す最大電流の磁束特性は、ジョセフソン接合の結合数が多いほど最大電流の変調の周期が短くなることを示し、また、多接合ＳＱＵＩＤ（多接合ＳＦＱ論理回路）では、ＳＱＵＩＤ（ＳＦＱ論理回路）に流すことができる最大電流は、微小な外部磁界の印加により影響を受け、ＳＱＵＩＤループ（超伝導ループ）の増加に伴って、ＳＱＵＩＤの外部磁界による影響は著しく大きくなる。

また、最大電流の磁束特性は、変調の周期が短いほど、小さな外部磁束で磁束量子ＳＦＱがＳＱＵＩＤに励磁されることを意味し、変調の周期はループを構成する結合数が大きいほど短くなることを意味している。

大規模単一磁束量子論理回路は、巨大な多接合ＳＱＵＩＤと等価な回路構造を持つ。そのため、回路規模の増大に対してグラウンドプレイン電流が発生する磁界や外部磁界への影響が著しく増大する。

そこで、本発明の大規模単一磁束量子論理回路は、上記の見地に鑑み、大規模単一磁束量子論理回路を小回路ブロックあるいは論理回路に分けることで、各回路ブロックあるいは論理回路のループを小さくし、最大電流の変調の周期を長くすることによって、磁束量子ＳＦＱがＳＱＵＩＤに励磁され難くし、これによって、外部磁界やグラウンドプレイン電流の影響を軽減する。

図５は、本発明の大規模単一磁束量子論理回路の構成を説明するための概略図である。図５（ａ）は、全体で一つのループを形成する大規模単一磁束量子論理回路１００を示している。図５（ｂ）は、この大規模単一磁束量子論理回路１００を複数の回路ブロック２に分割した状態を示している。なお、図２（ｂ）では４つの回路ブロック２Ａ〜２Ｄに分割する例を示しているが、分割する回路ブロックの個数は、大規模単一磁束量子論理回路１００の回路規模や外部磁場の大きさ等によって定まる。分割する回路ブロックの個数については後述する。

大規模単一磁束量子論理回路１００を単に複数の回路ブロック２に分割しただけでは、依然として全体で一つのループを形成する。また、各回路ブロック２を電気的に絶縁すると、大規模単一磁束量子論理回路の機能を奏することができない。そこで、各回路ブロック２は全体で一つのループを形成せずにそれぞれでループを形成し、かつ、各回路ブロック間においてＳＱＦパルスが伝搬してする大規模単一磁束量子論理回路の機能を奏するように、各回路ブロック２は、単一磁束量子（ＳＦＱ）を用いた論理回路を複数有すると共に、回路ブロック２内の電流を超伝導電流とし、回路ブロック２間は、各回路ブロック２内の超伝導電流を分断して接続する。

大規模単一磁束量子論理回路１は、この回路ブロック２間において、各回路ブロック２内の超伝導電流を分断して接続する構成として接続ブロック３を備える。図５（ｂ）では、例えば回路ブロック２Ａと回路ブロック２Ｂとの間は接続ブロック３Ａによって接続し、回路ブロック２Ｂと回路ブロック２Ｃとの間は接続ブロック３Ｂによって接続している。なお、この接続ブロックによる接続状態は、図示する構成に限らず、他の構成としてもよい。

また、図５（ｃ）は、分割した回路ブロック内において、その回路ブロックが備える複数の論理回路４（図５（ｃ）中の論理回路４Ａ〜４Ｄ）を接続回路５（図５（ｃ）中の接続回路５Ａ〜５Ｄ）で接続する。ここで、各論理回路４は、単一磁束量子（ＳＦＱ）を用いた論理ゲートを複数有すると共に、論理回路４内の電流を超伝導電流とし、論理回路４間は、各論理回路４内の超伝導電流を分断して接続する。

図６は大規模単一磁束量子論理回路を複数の回路ブロックに分け、各回路ブロック内の超伝導電流を分断して接続することによる、外部磁束に対する最大電流の特性を示している。

図６（ａ）は、大規模単一磁束量子論理回路を一つのループとした場合の特性を示し、図６（ｂ）は、大規模単一磁束量子論理回路を複数の回路ブロックに分けて複数のループとしたときにおいて、１つのループを形成する回路ブロックにおける特性を示している。

大規模単一磁束量子論理回路を一つのループとした場合には、図６（ａ）に示すように、最大電流の外部磁束の変調周期は短く、磁束量子ＳＦＱがＳＱＵＩＤに励磁され易く、外部磁界やグラウンドプレイン電流の影響を受けやすい。

この大規模単一磁束量子論理回路を複数の回路ブロックに分け、各論回路ブロック内の超伝導電流を分断して接続して、一つのループを複数のループに分けると、各ループの最大電流特性は、図６（ｂ）に示すように、最大電流の外部磁束の変調周期は長くなり、磁束量子ＳＦＱがＳＱＵＩＤに励磁され難くなり、外部磁界やグラウンドプレイン電流の影響を受け難くなる。

図６（ｃ）は、図６（ａ）と図６（ｂ）の最大電流特性を比較して示している。

最大電流が零となる外部磁束は、単一磁束量子ＳＱＦ“Φ_０”をその回路ループが備えるジョセフソン接合の結合数Ｎで除した“Φ_０／Ｎ”で表される。

大規模単一磁束量子論理回路を一つのループとした場合に、そのループが備えるジョセフソン接合の結合数をＬとすると、最大電流が零となる外部磁束は“Φ_０／Ｌ”で表され、大規模単一磁束量子論理回路を複数のループとした場合に、その１つのループが備えるジョセフソン接合の結合数をＳとすると、最大電流が零となる外部磁束は“Φ_０／Ｓ”で表される。Ｌ＞Ｓの関係があるため、Φ_０／Ｌ＜Φ_０／Ｓの関係が得られる。

したがって、図６（ｃ）に示すように、同じ大きさの外部磁束ΦAが印加された場合に、複数の回路ブロックに分けた場合の最大電流Ｉcsは、大規模単一磁束量子論理回路を一つのループとした場合の最大電流ＩcLよりも大きくすることができ、外部磁界による最大電流への影響を低減させることができる。

ここで、外部磁束密度Ｂとし、その外部磁束が回路ブロックを通過する面積Ｓとしたとき、この回路ブロックを通る外部磁束Φは“Ｂ・Ｓ”で表される。また、この回路ブロックに含まれるジョセフソン接合の接合数をＮとすると、外部磁束Φ＝Ｂ・Ｓを接合数Ｎで除した値Ｂ・Ｓ／Ｎが所定磁束ΦA以上とするような接合数Ｎを定める。この所定磁束ΦAは、例えば単一磁束量子Φ_０の磁束のＮ分の１で定めても良い。

また、回路ブロックは、その回路ブロック内に含まれるジョセフソン接合の総接合数Ｎを例えば５０００以下で設定してもよい。

このジョセフソン接合の総接合数５０００は、ＳＦＱ論理回路の回路規模が接合数で１万以上の場合に正常な回路動作が阻害されることから、接合数がこの１万を確実に下回割らせる値とすることから定めたものであるが、２０００から１００００程度とすることができ、１０００以下であればより確実となる。

次に、回路ブロック間を接続する接続ブロック、あるいは論理回路間を接続する回路ブロックの構成について、図７を用いて説明する。

ここでは、回路ブロック間を接続する接続ブロックを例として説明する。接続ブロックは微小抵抗によって回路ブロック間を接続する。この微小抵抗の抵抗値は、この抵抗によるＳＦＱパルスの減衰したとき、減衰したＳＦＱパルスが通過後の回路ブロック内で有効に動作する範囲内となる値とする。

これによって、各回路ブロック内では超伝導電流が流れるが、各ブロック間においては超伝導電流を分断し、各回路ブロック内でのみ超伝導ループを形成させ、全体の大規模単一磁束量子論理回路では超伝導ループを形成させないようにする。

図７（ａ）は接続ブロック３の一構成例であり、抵抗３ａをループ内に持つジョセフソン線路で構成する。図示するジョセフソン線路は、インダクタンス３ｂとジョセフソン接合３ｅを含むループとインダクタンス３ｃとジョセフソン接合３ｆを含むループを微小抵抗３ａとインダクタンス３ｇで接続して構成される。

また、図７（ｂ）は接続ブロック３の他の構成例であり、抵抗３ａをループ内に持つ超伝導受動線路で構成する。図示する伝導受動線路は、ジョセフソン接合３ｅとジョセフソン接合３ｆの間を微小抵抗３ａと伝導受動線路３ｄで結ぶループで構成される。

各回路ブロック間での信号のやり取りには、この微小抵抗をループ内に持つジョセフソン線路、あるいは微小抵抗をループ内に持つ超伝導受動線路を介して行われる。抵抗値が十分に小さければ、ＳＦＱパルスは減衰を受けずに抵抗を通過できる。一方、微小抵抗によるＤＣ超伝導電流の分断により、回路全体が高感度ＳＱＵＩＤとして働くことはなくなる。

図８は、前記した図９の回路構成に本発明を適用した一例であり、複数の回路ブロックＡ〜Ｄに分け、これらの回路ブロック間を微小抵抗で接続する。

なお、回路ブロックの分け方は図示する分割の個数や区切り方に限らず、他の分割の個数や区切り方としてもよい。

本発明は、例えばマルチプレサ回路、デマルチプレサ回路、演算回路、デコーダ回路、スイッチ回路、メモリ回路等の様々なデジタル回路、並びにＡ／Ｄ変換回路等のアナログ／デジタル混載回路に適用することができる。

規模単一磁束量子論理回路が備える超伝導ループを説明するための図である。 超伝導ループを接続して形成されるジョセフソン伝送線路を説明するための図である。 微小磁束による回路動作への影響を検討するための多接合ＳＦＱ論理回路例である。 微小磁束による回路動作への影響を検討するための多接合ＳＦＱ論理回路の磁界応答 例である。 本発明の大規模単一磁束量子論理回路の構成を説明するための概略図である。 大規模単一磁束量子論理回路を複数の回路ブロックに分けた場合の外部磁束に対する最大電流の特性を示す図である。 回路ブロック間を接続する接続ブロックの構成を説明するための図である。 本発明の大規模単一磁束量子論理回路の一適用例である。 大規模単一磁束量子論理回路の一例である。 大規模ＳＦＱ論理回路のグラウンドプレイン電流が回路動作に与える影響を説明するための図である。

符号の説明

１…大規模単一磁束量子論理回路
２…回路ブロック
３…接続ブロック
３ａ…微小抵抗
４…論理回路
５…接続回路
１０…超伝導ループ
１１…超伝導リング
１２…ジョセフソン接合
２０…ジョセフソン伝送線路

Claims (7)

1. 複数の単一磁束量子（ＳＦＱ）を情報担体とする大規模単一磁束量子論理回路において、
   当該大規模単一磁束量子論理回路は、
   分割された複数の回路ブロックと、前記回路ブロック間を接続する接続ブロックとを備え、
   前記各回路ブロックは、単一磁束量子（ＳＦＱ）を用いた論理回路を複数有すると共に、回路ブロック内の電流を超伝導電流とし、
   前記接続ブロックは、前記回路ブロック間を抵抗接続して各回路ブロック間の超伝導電流を分断し、
   前記回路ブロックを単位とする超伝導ループを形成することを特徴とする、大規模単一磁束量子論理回路。
2. 前記接続ブロックの抵抗接続を形成する抵抗の抵抗値は、当該抵抗によるＳＦＱパルスの減衰を、通過後の回路ブロック内での動作を有効とする範囲内とする値であることを特徴とする、請求項１に記載の大規模単一磁束量子論理回路。
3. 前記回路ブロックは、当該回路ブロック内に含まれるジョセフソン接合の総接合数Ｎを５０００以下とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の大規模単一磁束量子論理回路。
4. 前記回路ブロックは、外部磁束密度Ｂに、その外部磁束が回路ブロック内の超伝導ループと鎖交する面積Ｓを乗じたＢ・Ｓを、その回路ブロックに含まれるジョセフソン接合の接合数Ｎで除した値Ｂ・Ｓ／Ｎが所定磁束ΦA以上とする接合数Ｎを備えることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の大規模単一磁束量子論理回路
5. 前記所定磁束ΦAは、単一磁束量子Φ_０の磁束のＮ分の１の十分に一のオーダーであることを特徴とする請求項４に記載の大規模単一磁束量子論理回路。
6. 前記抵抗は、当該抵抗をループ内に持つジョセフソン線路、及び／又は当該抵抗をループ内に持つ超伝導受動線路により構成されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一つに記載の大規模単一磁束量子論理回路。
7. 前記論理回路は、複数の論理ゲートを備えることを特徴とする、請求項１から請求項６の何れか一つに記載の大規模単一磁束量子論理回路。