JPH06169253A - 直流電源駆動ジョセフソン基本論理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速スイッチング動作の可能な、新規な直流
電源駆動ジョセフソン基本論理回路を提供する。 【構成】 １つのジョセフソン接合とインダクタンスを
少なくとも含む超電導閉ループとこのインダクタンスに
磁気結合する制御線とから成る超電導素子１と、負荷抵
抗３と上記超電導閉ループとの並列回路に直流電流を供
給する手段２と、上記制御線に信号電流を入力する手段
４と、上記超電導素子のラッチを解除する手段とを少な
くとも備え、上記ラッチを解除する手段が、１つのジョ
セフソン接合と少なくとも１つのインダクタンスを含む
超電導閉ループとこのインダクタンスに磁気結合する制
御線とから成るスクイッド５であり、このスクイッドの
超電導閉ループは上記負荷抵抗に直列に、制御線は上記
超電導素子１の制御線に直列に接続される構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直流電源で駆動されるジ
ョセフソン回路に係わり、特にその基本論理回路の構成
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ジョセフソン回路の基本論理回路
は、交流電源駆動方式と直流電源駆動方式に分類され
る。

【０００３】交流電源駆動方式の基本論理回路は、例え
ば、「超高速ジョセフソン・デバイス」（菅野卓雄監
修、早川尚夫編、培風館、１９８６年発行、第７４頁）
に記述されているように、磁束結合型として、ＪＩＬ
（ＪＩＬはJosephson Interferometer Logicの略）があ
り、電流注入型として、４ＪＬ（４ＪＬは４Josephson
Junction Logicの略）、ＤＣＬ（ＤＣＬはDirect Coupl
ed Logicの略）、ＲＣＪＬ（ＲＣＪＬはResister Coupl
ed Josephson Logicの略）、等がある。

【０００４】直流電源駆動方式の基本論理回路は、例え
ば、アイ・イー・イー・イー トランザクションズ オ
ン マイクロウエーブ セオリー アンド テクニック
ス、Vol.MTT-28、No.５、４９０頁から５００頁、１９
８０年５月（IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques,Vol.MTT-28,No.5,pp.490-500,May 198
0）に記述されているように、磁束結合型として、ＨＵ
ＦＦＬＥ回路（ＨＵＦＦＬＥはHybrid Unlatching Flip
-Flop Logic Elementの略）、Current-Sterring回路、
等があり、電流注入型として、ＪＡＷＳ−ＨＵＦＦＬＥ
回路（ＪＡＷＳはJosephson Atto Weber Switchの略）
等がある。

【０００５】ＪＩＬは、２つ以上のジョセフソン接合と
インダクタンスとからなる超電導閉ループとこのインダ
クタンスに磁気的に結合した制御線とから少なくとも構
成される多接合超電導量子干渉素子（多接合Josephson
Interferometer；多接合ＪＩ）と、負荷抵抗と、交流電
源とから少なくとも構成される。

【０００６】ＨＵＦＦＬＥ回路は、２つの多接合超電導
量子干渉素子と、２つの負荷抵抗と、負荷インダクタン
スで形成されたブリッジと、直流電源とから少なくとも
構成され、この負荷インダクタンスがラッチを解除する
手段として機能する。さらにまた、ハングアップを防止
し動作を安定化させるためにはさらに１つの並列抵抗が
付加される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ジョセフソン接合には
ラッチ特性があり、一度、電圧状態に遷移すると電源電
流を零としない限り、超電導状態に復帰しない。従っ
て、ジョセフソン接合を含む回路を論理動作させるため
には、各クロックサイクルの終了毎に、ラッチを解除し
なければならない。このため一般に、ジョセフソン回路
では、電源をクロックとして兼用する、交流電源駆動方
式が採られてきた。この方式の基本論理回路の一例が、
上記ＪＩＬ、４ＪＬ、ＤＣＬ、ＲＣＪＬである。交流電
源駆動方式は、ラッチに対処しながら、含まれるＪＩの
数も高々１個と占有セル面積も小さく、さらに数１０ｐ
Ｈ以上のインダクタンスを含まないため、高速スイッチ
ング動作が可能という特徴を有する。しかしながら、交
流電源駆動方式では大電流が時間変化するため、大きな
クロストークが発生し、回路動作上の障害となってい
る。特にクロック周波数が数ＧＨｚ以上と高くなると、
その影響は顕著となり、誤動作の大きな要因となる。こ
の障害に対する対策の一つが、電源電流を直流とするこ
と、すなわち、直流電源駆動方式を採用することであ
る。この方式では、電源電流は時間によらず一定である
ため、電源電流によるクロストークは生じない。クロッ
クは交流電流で供給されるため、クロックによるクロス
トークは生じるが、クロックの電流の大きさは電源電流
に比べて十分小さいので、発生するクロストークも小さ
く、回路動作に与える影響も小さい。しかしながら、直
流電源駆動方式では電源電流が時間に関して一定で、零
にならないので、交流電源駆動方式では可能であった
「ラッチを解除する」ことができず、この問題を再度対
策しなければならないことになる。たとえば上記ＨＵＦ
ＦＬＥ回路では、負荷インダクタンスに流れる電流の向
きにより論理値の“１”、“０”を表すが、ラッチを解
除する手段としてこのインダクタンスを用いる。すなわ
ちインダクタンスには電流に対する慣性が存在し、流れ
る電流の大きさを一定に保とうとする性質がある。この
性質を利用し、入力信号の状態が変化しても、それ以前
の電流の向きが短時間維持されることを用いて、この電
流でラッチを解除するようにブリッジを構成するのであ
る。しかしこの場合、負荷インダクタンスは、慣性によ
りラッチを解除できる程度の大きさが必要であるため、
少なくとも数１０ｐＨ以上の値が必要となる。この大き
なインダクタンスが、高速スイッチング動作を実現する
際の障害となっている。また、多接合超電導量子干渉素
子を２つ、負荷抵抗を２つ、動作安定化のためにさらに
並列抵抗を１つ含むため、占有セル面積も大きく、集積
化の障害となっている。一方、上記Current-Sterring回
路は、２つの超電導量子干渉素子を含むため占有セル面
積が大きく、さらに回路レイアウト設計の制約上、大き
なインダクタンスが形成されるという問題があり、高速
化、高集積化の障害となっている。さらにまた上記ＪＡ
ＷＳ−ＨＵＦＦＬＥ回路はラッチを解除する手段がＨＵ
ＦＦＬＥ回路と同様にインダクタンスであるため、上記
と同様の理由から高速スイッチング動作を実現するのが
難しいという問題がある。いずれの場合も、直流電源駆
動方式の問題点は第１に如何にしてラッチを解除させる
か、その方式を確立すること、第２にさらに望ましくは
高速化、高集積化を実現させることであり、このために
は少なくとも大きなインダクタンスを含まないようにす
ることが必要である。

【０００８】本発明の目的は、ラッチを解除する手段が
インダクタンス以外の新規な手段の、高速スイッチング
動作を可能とする直流電源駆動ジョセフソン回路の基本
論理回路を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、少なくとも１つのジョセフソン
接合と１つのインダクタンスとからなる超電導閉ループ
とこのインダクタンスと磁気結合する制御線とで形成さ
れるジョセフソン接合体と、上記超電導閉ループと負荷
抵抗との並列接続回路に直流電流を供給する手段と、上
記制御線に入力信号電流を印加する手段と、上記ジョセ
フソン接合体のラッチを解除する手段とを少なくとも備
えた直流電源駆動ジョセフソン基本論理回路において、
上記ラッチを解除する手段が、１つのジョセフソン接合
と少なくとも１つのインダクタンスとからなる超電導閉
ループとこのインダクタンスに磁気結合する制御線とで
形成されるスクイッドであり、このスクイッドの超電導
閉ループは、上記負荷抵抗かあるいは上記ジョセフソン
接合体の超電導閉ループに直列状に接続されて上記直流
電流供給手段からの直流を供給され、かつ、スクイッド
の制御線は上記ジョセフソン接合体の制御線に直列状に
接続されて上記入力信号電流印加手段からの入力信号電
流が印加される構成とする。

【００１０】

【作用】本発明においてラッチを解除する手段として用
いられるスクイッドは、１つのジョセフソン接合とイン
ダクタンスとからなる超電導閉ループで構成されてお
り、超電導量子干渉素子の一種である。インダクタンス
の両端の電圧は定常状態では零であるから、ジョセフソ
ン接合間の電圧も定常状態では零であり、従ってスクイ
ッドはラッチを起こさない。スクイッドの内部磁束は、
外部磁束に依存して変化するが、その大きさは磁束量子
Φ（＝２．０７ｆＷｂ）の単位で量子化されるので、外
部磁束が変化し、量子化条件を越える度に内部磁束は不
連続な変化を起こす。この磁束の変化により、急峻なパ
ルス信号が生じ、伝送線路をスクイッドの一端に接続す
ることにより、このパルス信号はこの線路上を伝搬す
る。さらにこのパルス信号は内部磁束の量子数の増減に
対応して正負いずれかの符号をとる。

【００１１】本発明の直流電源駆動ジョセフソン基本論
理回路では、上記ジョセフソン接合体は超電導状態と電
圧状態をとり、ラッチ特性を有する。このジョセフソン
接合体は直流電源により駆動されている。はじめ、ジョ
セフソン接合体が超電導状態にあるとすると、負荷抵抗
には出力電流は流れず、論理値“０”が出力される。次
にこのジョセフソン接合体に適当な入力信号電流を印加
し、ジョセフソン接合体を電圧状態に遷移させると負荷
抵抗には有限の出力電流が流れ、論理値“１”が出力さ
れる。実際の論理回路では、前段の論理回路の出力電流
やクロック等が、この入力信号電流となる。ラッチを解
除する手段として、スクイッドが適当な位置に接続され
ているが、今の入力信号電流の零から有限値への変化に
対し、たとえばスクイッドの内部磁束が増加し、正のパ
ルス信号が発生するものとすれば、この正のパルス信号
によってジョセフソン接合体が電圧状態を維持するよう
にスクイッドを接続するものとする。入力信号電流が有
限の一定値を維持し、定常状態を保つとスクイッドは電
気的に短絡されたものと等価であるから、出力は論理値
“１”を維持することになる。次に入力信号電流が有限
値から零へ変化すると、上記と逆の過程を経るのでスク
イッドは内部磁束が減少し、負のパルス信号が発生する
ことになる。正のパルス信号によってジョセフソン接合
体は電圧状態を維持するようにスクイッドを接続したの
で、負のパルス信号によりジョセフソン接合体は電圧状
態から超電導状態に遷移するように作用を受け、これよ
りジョセフソン接合体のラッチが解除されることにな
る。以上より、入力信号電流が、零から有限値に変化す
ると出力電流は“０”から“１”へ変化し、有限値から
零へ変化すると、スクイッドの生じるパルス信号により
ラッチが解除され、出力電流が“１”から“０”へ変化
することになる。さらにスクイッドを構成するインダク
タンスの値は高々１０ｐＨと小さいので、高速スイッチ
ング動作の障害となることもない。これより電源電流を
直流としながらもラッチが解除でき、高速スイッチング
動作が可能な直流電源駆動ジョセフソン基本論理回路が
実現できることになり、本発明の目的が達成できること
になる。

【００１２】

【実施例】以下本発明を実施例を用いて詳細に説明す
る。まず図１及び図２を用いて本発明の第１の実施例を
説明する。

【００１３】本実施例におけるジョセフソン接合体は、
２接合超電導量子干渉素子１であり、これは、２つのジ
ョセフソン接合１１、１２とインダクタンス１３とから
なる超電導閉ループと、インダクタンス１３と磁気的に
結合したインダクタンスである制御線１４とから形成さ
れる。２接合超電導量子干渉素子１には直流電源２１と
給電抵抗２２の直列接続体からなる直流電流を供給する
手段２から常に一定の直流電流が供給されており、さら
にスクイッド５を介して負荷抵抗３が接続されている。
スクイッド５は、ジョセフソン接合５１とインダクタン
ス５２とからなる超電導閉ループと、インダクタンス５
２と磁気的に結合したインダクタンスである制御線５３
と、から形成され、このスクイッド５はラッチを解除す
る手段として機能する。２接合超電導量子干渉素子１に
は入力信号電流を供給する手段４から入力信号が制御線
１４を介して印加され、さらにこの入力信号電流は制御
線５３を介してスクイッド５に外部磁束を加える。

【００１４】図２に計算機シミュレーションによる動作
波形の一例を示す。使用した回路パラメータは、次の通
りである。ジョセフソン接合１１、１２、５１の超電導
臨界電流値はいずれも０．１ｍＡ、インダクタンス１
３、及び制御線１４のインダクタンスはいずれも１ｐ
Ｈ、インダクタンス５２、及び制御線５３のインダクタ
ンスはいずれも４ｐＨ、負荷抵抗３は５Ω、直流電源２
１が供給する電流は０．１４ｍＡである。図２（ａ）は
入力信号電流の時間変化、図２（ｂ）は負荷抵抗３の端
子間電圧、すなわち出力電圧の時間変化、図２（ｃ）は
スクイッド５の端子間電圧の時間変化である。

【００１５】はじめｔ＝０〜２００ｐｓでは、入力信号
電流は零であり（図２（ａ））、２接合超電導量子干渉
素子１は超電導状態にあるので、出力電流は零であり、
負荷抵抗３の端子間の出力電圧も零である（図２
（ｂ））。ｔ＝２００ｐｓにおいて、入力信号電流が零
から有限値へ変化すると（図２（ａ））、２接合超電導
量子干渉素子１は超電導状態から電圧状態に遷移し、出
力電流が負荷抵抗３に流れ、図２（ｂ）に示すように有
限の出力電圧が生じる。このとき、制御線５３を介して
スクイッド５には外部磁束が印加され、これより内部磁
束の量子数が増加するため、図２（ｃ）に示すように正
のパルス信号が生じ、これが伝送線路上を伝搬する。こ
の時この正のパルス信号は２接合超電導量子干渉素子１
を電圧状態に遷移せしめるが如く作用するが、２接合超
電導量子干渉素子１は既に電圧状態にあるので実質的に
は何らの状態変化も起こさない。ｔ＝２００〜４００ｐ
ｓにおいて、入力信号電流が有限値を保っている間（図
２（ａ））は、スクイッド５は電気的に短絡されたもの
と等価であるから、有限の出力電圧は保持される（図２
（ｂ））。次にｔ＝４００ｐｓにおいて、入力信号電流
が有限値から零へ変化する時（図２（ａ））、従来のＪ
ＩＬの様にスクイッド５が存在しなければ、２接合超電
導量子干渉素子１はラッチ特性により電圧状態を維持し
たままであるが、本発明の様にスクイッド５が存在する
と、入力信号電流の有限値から零への変化は、制御線５
３を介してスクイッド５に印加される外部磁束を減少さ
せるので、これより内部磁束の量子数の減少をもたら
す。この内部磁束の量子数の減少により、図２（ｃ）に
示すように負のパルス信号が生じ、これが伝送線路上を
伝搬する。この時この負のパルス信号は２接合超電導量
子干渉素子１を超電導状態に復帰せしめるが如く作用す
るので、出力電圧の大きさがこのパルス信号の大きさよ
り小さい時、２接合超電導量子干渉素子１は図２（ｂ）
に示すように超電導状態に復帰することになる。ｔ＝４
００ｐｓ以後は上記の動作を繰り返すことになる。以上
より、出力電圧は、ラッチすることなく、入力信号電流
の有無に対応して“１”、“０”を出力するので、これ
により直流電源駆動ジョセフソン基本論理回路が実現で
きることになる。さらに１０ｐＨ以上の大きなインダク
タンスを含むこともないので、高速スイッチング動作も
可能になることになる。

【００１６】次に図３を用いて本発明の第２の実施例を
説明する。本実施例はラッチを解除する手段であるスク
イッド５が第１の実施例とは異なる位置に接続された例
である。ジョセフソン接合体である２接合超電導量子干
渉素子１、直流電流を供給する手段２、負荷抵抗３、入
力信号電流を供給する手段４、およびスクイッド５は、
第１の実施例と同様の構成である。スクイッド５は実施
例１と同様にジョセフソン接合体の電源線に接続されて
いるが、その位置は実施例１のように負荷抵抗３と直列
接続の位置ではなく、２接合超電導量子干渉素子１と直
列接続の位置にある。スクイッド５が２接合超電導量子
干渉素子１のラッチを解除する原理は、第１の実施例と
同様であり、入力信号電流の変化の向きによって符号の
異なるパルス信号が生じることを利用する。ただし、本
実施例のスクイッドは、入力信号電流が零から有限値に
変化したときは、負のパルス信号が生じ、入力信号電流
が有限値から零に変化したときは、正のパルス信号が生
じるように設計する。これより、入力信号電流が零から
有限値に変化したときは、負のパルス信号により、２接
合超電導量子干渉素子１の電圧状態は維持され、入力信
号電流が有限値から零に変化したときは、正のパルス信
号により、２接合超電導量子干渉素子１は超電導状態に
遷移するように作用される。これより、ラッチすること
なく、入力信号電流の有無に対応して“１”、“０”の
出力が得られるので、直流電源駆動ジョセフソン基本論
理回路が実現できることになる。また本実施例において
も、第１の実施例と同様に１０ｐＨ以上の大きなインダ
クタンスを含まないので、高速スイッチング動作が可能
になることになる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、スクイッドをラッ
チを解除する手段として用いることにより、入力信号電
流の零から有限値もしくは有限値から零の変化に応じて
正負いずれかのパルス信号を生じさせることができるの
で、高速動作が可能な直流電源駆動ジョセフソン基本論
理回路が実現できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の回路図である。

【図２】本発明の第１の実施例回路の計算機シミュレー
ションによる動作波形図で、（ａ）は入力信号電流の時
間変化、（ｂ）は負荷抵抗３の端子間電圧、すなわち出
力電圧の時間変化、（ｃ）はスクイッド５の端子間電圧
の時間変化を示す。

【図３】本発明の第２の実施例の回路図である。

【符号の説明】

１…２接合超電導量子干渉素子 ２…直流電流を供給す
る手段 ３…負荷抵抗 ４…入力信号電流を供
給する手段 ５…スクイッド １１、１２、５１…ジョセフソン接合 １３、５２…インダクタンス １４、５３…制御線 ２１…直流電源 ２２…給電抵抗

フロントページの続き (72)発明者 西野 壽一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１つのジョセフソン接合と１つ
   のインダクタンスを含む超電導閉ループとこのインダク
   タンスに磁気結合する制御線とから成るジョセフソン接
   合体と、上記超電導閉ループと負荷抵抗との並列接続回
   路に直流電流を供給する手段と、上記制御線に入力信号
   電流を印加する手段と、上記ジョセフソン接合体のラッ
   チを解除する手段とを少なくとも備えた直流電源駆動ジ
   ョセフソン基本論理回路において、上記ラッチを解除す
   る手段が、１つのジョセフソン接合と少なくとも１つの
   インダクタンスとを含む超電導閉ループとこのインダク
   タンスに磁気結合する制御線とからなるスクイッドであ
   り、このスクイッドの超電導閉ループは、上記負荷抵抗
   かあるいは上記ジョセフソン接合体を構成する超電導閉
   ループに直列状に接続され、かつ、スクイッドの制御線
   は上記ジョセフソン接合体の制御線に直列状に接続され
   ることを特徴とする直流電源駆動ジョセフソン基本論理
   回路。
2. 【請求項２】請求項１記載のジョセフソン接合体が、２
   つ以上のジョセフソン接合と少なくとも１つのインダク
   タンスとからなる超電導閉ループと、このインダクタン
   スと磁気的に結合する制御線とを含む多接合超電導量子
   干渉素子であることを特徴とする直流電源駆動ジョセフ
   ソン基本論理回路。