JPH0279481A - 磁束量子論理素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ジョセフソン線路内を伝搬する磁束量子の密
度を情報担体とする論理素子に関するものである。

［従来の技術〕 従来のジョセフソン線路を用いた論理素子では、第５図
に示すような線路分岐（Ｓ分岐と呼ばれている）におい
て、線路２と線路９のバイアス電流に差を持たせること
により線路１から伝搬してくる磁束量子をバイアス電流
の大きい方の線路に伝搬させる。このバイアス電流を変
えることによって磁束量子の伝搬する方向（！＃）を変
える方法が採られていた。しかしバイアス電流を切り換
える速さは磁束量子が伝搬する速度に比べてずっと遅い
ので、バイアス電流によって１個ずつの磁束量子の伝搬
方向を変えて出力磁束量子列の密度を変えることは不可
能であった。したがって従来の技術では線路の出力側か
らみて磁束量子が伝搬してくるか否かを変えることはで
きても磁束量子列の密度を変化させることはできなかっ
た。

［発明が解決しようとする課題］ 従来ジョセフソン線路内の磁束量子を情報担体とする論
理素子では、磁束量子の離散性に注目して磁束量子が存
在するか否かを情報のｒＱＪ　　ｒｌＪに対応させる方
式が採られていた６しかし最近では生体の神経回路網の
神経細胞いわゆるニューロンに類似させて多数の磁束量
子を伝搬させてその密度に情報を持たせる方式が考えら
れている。しかしこのような方式を採るための磁束量子
の密度を制御する手段がなく、その解決を要する課題が
あった。

本発明の目的は、このような課題を解決するため磁束量
子の密度を制御する手段を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため本発明では次の手段を講じた
。

１、非超伝導体あるいは弱い超伝導体を介して結合され
た上部電極および下部電極の二つの超伝導体からなるジ
ョセフソン素子により構成された第１および第２のジョ
セフソン線路と、上記ジョセフソン素子により構成され
、バイアス電流線および制御電流線を有する第１の超伝
導量子干渉ゲートとを備えさせ、第１のジョセフソン線
路の下部電極の出力端と第２のジョセフソン線路の下部
電極の入力端とを超伝導体よりなる第１のインダクタで
接続し、第１のジョセフソン線路の上部電極の出力端と
第２のジョセフソン線路の上部電極の入力端とを第１の
超伝導量子干渉ゲートのバイアス電流線を介して超伝導
体よりなる第２および第３のインダクタで接続して線路
分岐を構成し、かつ第１の超伝導量子干渉ゲートの制御
電流線に流す電流を可変にすることとした。

この構成は第１図に示されている。

２、第１のジョセフソン線路の下部電極の出力端と第２
のジョセフソン線路の下部電極の入力端とを超伝導体よ
りなる第１のインダクタで接続し、第１のジョセフソン
線路の上部電極の出力端と第３のジョセフソン線路の上
部電極の入力端とを第２のインダクタで接続し、第２の
ジョセフソン線路の上部電極の入力端と第３のジョセフ
ソン線路の下部電極の入力端とを超伝導体よりなる第３
のインダクタで接続し、第３のジョセフソン線路の入力
端に制御電流線を磁気的に結合させた構成とした。

この構成は第３図に示されており、本構成は後段と接続
して論理回路を構成するのに構成し易い利点を有する。

３、上記の第１項乃至第２項の構成において、第２の超
伝導量子干渉ゲートのインダクタンスループを第１の超
伝導量子干渉ゲートあるいは第３のジョセフソン線路の
入力端と磁気的に結合させた構成とした。

この構成は第４図に示されており、本構成により記憶機
能を持たせら九る利点を有する。

［作　用コ 本発明は、線路分岐の入力端のジョセフソン素子の位相
変化を利用して、その分岐出力端への磁束量子の振り分
けを所要比の割合で振り分けて、これにより出力磁束量
子列の密度を制御することを最も主要な特徴とする。従
来の技術とは、磁束量子の伝播方向を変えるのにバイア
ス電流によらない点、および出力される磁束量子の密度
が制御できる点が異なる。

前記手段の第１項は、ｎ個（ｎは１以上の整数）の磁束
量子が第１の線路から伝搬してきたときにそのうちのｍ
個（ｍはＯあるいは１以上の整数でｍ　＜　ｎ　）の磁
束量子が第１の超伝導量子干渉ゲートから線路外へ放出
され、このときｍの値を第１の超伝導量子干渉ゲートの
制御電流線に流す電流によって変えられるようにして磁
束量子列の密度を変えるものである。

前記手段の第２項は、第１項の超伝導量子干渉ゲートの
代わりに第３のジョセフソン線路を用い、第３のジョセ
フソン線路から放出される磁束量子数をその入力端に結
合する制御電流線の電流により制御し、磁束量子列の密
度を変えるものである。

前記手段の第３項は、上記の第１の超伝導量子干渉ゲー
トや第３のジョセフソン線路に伝搬する磁束量子の数を
制御する制御電流線の代わりに第２の超伝導量子干渉ゲ
ートを用い、そのインダクタンスループを第１の超伝導
量子干渉ゲートあるいは第３のジョセフソン線路の入力
端に磁気的に結合させて、これにより磁束量子列の密度
を制御するものである。

さらに本構成では、第４図について後述するように、上
記インダクタンスループに磁束量子を蓄えさせることが
可能になるので、このことが出方の磁束量子列の密度を
記憶させられる働きをすることになる。

［実施例コ 実施例　１ 第１図に第１の実施例を示す。図中、１および２は非超
伝導体あるいは弱い超伝導体を介して結合された上部電
極および下部電極の２つの超伝導体からなるジョセフソ
ン素子により構成されたジョセフソン線路である。また
３は上記ジョセフソン素子により構成され、バイアス電
流線および制御電流線７を有する超伝導量子干渉ゲート
である。

ジョセフソン線路１の下部電極の出力端とジョセフソン
線路２の下部電極の入力端とを超伝導体よりなる第１の
インダクタ４で接続し、ジョセフソン線路１の上部電極
の出力端と超伝導量子干渉ゲート３のバイアス電流線を
超伝導体よりなるインダクタ５で接続し、超伝導量子干
渉ゲート３の他方のバイアス電流線とジョセフソン線路
２の上部電極の入力端とを超伝導体からなるインダクタ
６で接続し線路分岐を構成しである。

なお第１図において、ジョセフソン線路以外の回路は等
価回路で表示されている。（他の図面においても同様） このような線路分岐においては、ジョセフソン線路１の
出力端のジョセフソン素子の位相Φ１、ジョセフソン線
路２の入力端のジョセフソン素子の位相Φ２、超伝導量
子干渉ゲート３の入力側のジョセフソン素子の位相Φ３
とすると、Φ１＝Φ２＋Φ３　　　　　　・・・・・・
（１）の関係が成立する。この線路分岐に線路１より磁
束量子が侵入すると１個の磁束量子について位相Φ１は
２π変化する。この磁束量子が線路２へ伝搬すると位相
Φ２が２π変化し、位相Φ３の変化は零で（１）式が成
立する。しかしこれは磁束量子の伝搬速度が極めてゆっ
くりで準静的な場合であり、実際の動的変化ではジョセ
フソン素子の非線形性のために位相Φ３もある値増加し
、時間とともに減衰して零になる。この様子を第２図の
■に示す。

さらに線路１より次々と磁束量ず７Ｊ’　％λし、位相
Φ３が零にもどる前に次の磁束量子による位相励振が起
こると位相Φ３の変化は重ね合わされる（第２図の■）
。この位相の重ね合わせが累積して位相Φ３がπ／２を
超えると磁束量子が１個、超伝導量子干渉ゲート３を通
過し、位相Φ３の変化は２πとなる（第２図の■）。そ
の後は同様の動作の繰り返しとなり、こうしてｎ個に１
個の割合で超伝導量子干渉ゲート３へ磁束量子の伝搬が
生じる。

このような動作が生じるためには超伝導量子干渉ゲート
３の入力側のジョセフソン素子の位相変化に対するダン
ピングがある程度重く１位相Φ３の時間的変化がゆっく
りで、Φ３が零に減衰する前に次の磁束量子が伝搬して
きて位相変化の重ね合わせが生じる必要がある。

この条件を満足するには、超伝導量子干渉ゲート３の入
力側のジョセフソン素子の電流密度を大きくするかある
いは超伝導量子干渉ゲート３の入力側のジョセフソン素
子に並列にダンピング抵抗８を付加することで実現でき
る。またこの構造においてジョセフソン線路１および２
には磁束量子を入力端から出力端へ向かって伝搬させる
ために上部電極から下部電極へ流れるバイアス電流が印
加されている（第１図ではこのバイアス電流線およびバ
イアス電流供給回路は省略されている。）。

さらにこのようなジョセフソン素子の位相励振現象では
、位相の励振量はジョセフソン電流値に依存し、ジョセ
フソン電流値が減少するにしたがって位相の励振量は大
きくなる。

このため超伝導量子干渉ゲート３の制御電流線７に制御
電流を流し、超伝導量子干渉ゲート３のジョセフソン電
流値を実効的に小さくしてやることで位相Φ３の励振量
を大きくし、１個の磁束量子を超伝導量子干渉ゲート３
に伝搬させるための位相励振に必要な磁束量子の数（線
路１から伝搬してくる）を少なくシ、第２図の■のよう
に超伝導量子干渉ゲート３に伝搬する磁束量子の割合を
多くすることが可能である。

以上のようにして、線路１から伝搬してくる磁束量子を
線路２と超伝導量子干渉ゲート３に振り分け、その振り
分けの比率を超伝導量子干渉ゲートの制御電流線の制御
電流により所要比にし、線路２の出力磁束量子列の密度
を変えるものである。

実施例　２ 第３図は第２の実施例を示す図であって、第１図と異な
る点は、超伝導量子干渉ゲート３の代わりにジョセフソ
ン線路９を用いた点である。

動作は実施例１の場合とまったく同様である。

一般に磁束量子は超伝導量子干渉ゲートよりもジョセフ
ソン線路の方へ入りにくいが、その場合にはジョセフソ
ン線路９の入力端に補助バイアス電流線１０を設け、補
助バイアス電流により磁束量子の線路への侵入を助ける
ようにすればよい。

本実施例では、同じ形式の二つの線路にそれぞれ磁束量
子列の異なる出力が得られる。これにより本実施例では
一方の信号出力に対する他方の出力をその補信号出力と
して、これらを後段に供給するようにできる利点がある
。

実施例　３ 第４図は第３の実施例を示す図であって、第３図と異な
る点は、超伝導量子干渉ゲート３の制御電流線７の代わ
りに超伝導量子干渉ゲート１１を用いた点である。制御
電流、１１２は超伝導量子干渉ゲート１１の制御電流線
である。超伝導量子干渉ゲート１１のインダクタンスル
ープはジョセフソン線路９の入力端と磁気的に結合して
いる。

この超伝導量子干渉ゲート１１ではバイアス電流を流し
た状態で制御電流線１２に制御電流を流すとインダクタ
ンスループに磁束量子を蓄えさせることができる。この
ときインダクタンスループには蓄えられた磁束量子の数
に応じて周回電流が流れる。この周回電流が、実施例１
における制御電流線７に流す制御電流と同様の役割を果
たし、ジョセフソン線路９に伝搬する磁束量子の割合を
多くすることができる。さらにこの実施例では超伝導量
子干渉ゲート１１のバイアス電流を適切に設定すれば制
御線１２の制御電流を零にしても磁束量子を蓄えたまま
にできるので磁束量子の伝搬する割合を定常的に設定す
ること、すなわち記憶させることができる利点がある。

第４図において、ジョセフソン線路９を用いる代わりに
別の超伝導干渉ゲートを用い、１１の超伝導干渉ゲート
と磁気的に結合させることによって同様の記憶機能を実
現できる。

以上の実施例１．２および３では、いわゆる分布定数影
線路すなわち磁束量子の伝搬方向に長いジョセフソン素
子よりなる線路を用いて説明したが、集中定数影線路す
なわちジョセフソン素子の上部電極どうし、下部電極ど
うしを超伝導体よりなるインダクタで結合して構成した
線路を用いても全く同様の動作が可能である。

なお以上の実施例では、ジョセフソン線路の上部および
下部電極にはニオビウムまたはニオビウム化合物を用い
、両電極間にはアルミニウムの酸化物を用いた。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によりジョセフソン線路中
を伝搬する磁束量子列を、線路分岐で伝搬方向を振り分
けて磁束量子列の密度を変えることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による磁束量子論理素子の第１の実施
例を示す図、第２図は、本発明による磁束量子論理素子
の動作原理を示す図、第３図は、本発明による磁束量子
論理素子の第２の実施例を示す図、第４図は１本発明に
よる磁束量子論理素子の第３の実施例を示す図、第５図
は従来例を表わす図でいわゆるＳ分岐と呼ばれる線路分
岐を示す図である。 １．２・・・ジョセフソン線路 ３・・・超伝導量子干渉ゲート ４．５，６・・・超伝導体よりなるインダクタ７・・・
制御電流線 ８・・・ダンピング抵抗 ９・・・超伝導量子干渉ゲート３の代わりとして用いる
ジョセフソン線路 １０・・・補助バイアス電流線 １１・・・制御電流線７の代わりに用いる超伝導量子干
渉ゲート １２・・・超伝導量子干渉ゲート１１の制御電流線特許
出願人　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非超伝導体あるいは弱い超伝導体を介して結合され
   た上部電極および下部電極の二つの超伝導体からなるジ
   ョセフソン素子により構成された第１および第２のジョ
   セフソン線路と、上記ジョセフソン素子により構成され
   、バイアス電流線および制御電流線を有する第１の超伝
   導量子干渉ゲートとを備え、第１のジョセフソン線路の
   下部電極の出力端と第２のジョセフソン線路の下部電極
   の入力端とを超伝導体よりなる第１のインダクタで接続
   し、第１のジョセフソン線路の上部電極の出力端と第２
   のジョセフソン線路の上部電極の入力端とを第１の超伝
   導量子干渉ゲートのバイアス電流線を介して超伝導体よ
   りなる第２および第３のインダクタで接続して線路分岐
   を構成し、かつ第１の超伝導量子干渉ゲートの制御電流
   線に流す電流を可変としたことを特徴とする磁束量子論
   理素子。 ２、第１のジョセフソン線路の下部電極の出力端と第２
   のジョセフソン線路の下部電極の入力端とを超伝導体よ
   りなる第１のインダクタで接続し、第１のジョセフソン
   線路の上部電極の出力端と第３のジョセフソン線路の上
   部電極の入力端とを第２のインダクタで接続し、第２の
   ジョセフソン線路の上部電極の入力端と第３のジョセフ
   ソン線路の下部電極の入力端とを超伝導体よりなる第３
   のインダクタで接続し、第３のジョセフソン線路の入力
   端に制御電流線を磁気的に結合させた構成を特徴とする
   磁束量子論理素子。 ３、第２の超伝導量子干渉ゲートのインダクタンスルー
   プを第１の超伝導量子干渉ゲートあるいは第３のジョセ
   フソン線路の入力端と磁気的に結合させた構成を特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第２項の磁束量子論理素
   子。