JPH11312971A - 超伝導回路 - Google Patents

超伝導回路

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JPH11312971A
JPH11312971A JP11811598A JP11811598A JPH11312971A JP H11312971 A JPH11312971 A JP H11312971A JP 11811598 A JP11811598 A JP 11811598A JP 11811598 A JP11811598 A JP 11811598A JP H11312971 A JPH11312971 A JP H11312971A
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JP
Japan
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josephson
transmission line
quantum
magnetic flux
flux
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JP11811598A
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English (en)
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Yutaka Harada
豊 原田
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超高速で伝搬する磁束量子をタイミング余裕
が大きく、かつ非破壊的にゲート制御する方法を提供
し、高速かつ動作余裕の大きい超伝導回路を実現する。 【解決手段】 ジョセフソン接合とインダクタと定電流
源を単一の区間とし、その区間を複数個直列に接続した
ジョセフソン伝送線路であって、上記区間の間に臨界電
流を制御できるジョセフソン素子を挿入し、上記ジョセ
フソン素子の臨界電流の制御により上記ジョセフソン伝
送線路上の磁束量子の伝搬を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超高速の超伝導回路
にかかわり、特に磁束量子を情報として取り扱うのに好
適なデジタル回路に関わる。
【0002】
【従来の技術】超伝導状態において、ジョセフソン伝送
線路上に伝搬する磁束量子(2.07×10-15Wb)を情報の
担い手とする磁束量子スイッチング回路は超高速コンピ
ュータの素子として注目されている。
【0003】図2を用いて、ジョセフソン伝送線路とそ
の上を伝搬する磁束量子について説明する。ジョセフソ
ン伝送線路100はジョセフソン接合101と伝送インダクタ
102と定電流源103を単一の区間とし、その区間を複数個
直列に接続した構成をしている。上記定電流源103には
上記ジョセフソン接合101の臨界電流の70%程度の電流
を設定する。
【0004】上記ジョセフソン接合101の臨界電流と上
記伝送インダクタ102のインダクタンス値の積が磁束量
子になるよう設定すれば、上記ジョセフソン伝送線路10
0には磁束量子200(SFQ)を単位とする信号が伝搬す
る。磁束量子はインパルス状の信号として上記ジョセフ
ソン伝送線路上を伝搬する。伝搬する磁束量子200は、
例えばパルスの半値幅が10psで波高は0.2mVである。ま
たこの信号が上記ジョセフソン伝送線路の1区間を通過
する時間は10〜30psと極めて高速である。
【0005】この様な信号の伝搬を制御すること、即ち
磁束量子信号を通過させるかストップさせるかを制御す
るいわゆるゲート制御は極めて難しい。唯一、この信号
のゲート制御するためにRSFQ(Rapid Single Flux Quan
tum)回路と呼ばれる回路が使われている。このRSFQ回
路は例えば、アイイーイーイー トランザクショウンズ
オン アプライド スーパーコンダクティビティ( I
EEE Trans.Appl.Supercond.), vol.1, pp.3−28, M
arch 1991.に開示されている。
【0006】RSFQ回路はフリップフロップに磁束量子信
号を取り込み、リセット信号と呼ばれる読み出し信号を
使ってフリップフロップに記憶されている信号を破壊読
み出しする。このため、RSFQ回路の構成は破壊された信
号を復帰するためやリセット信号のタイミング回路等に
複雑かつ動作余裕の少ない回路が使われている。ジョセ
フソン伝送線路にある磁束量子信号を通過させるかスト
ップさせる様な簡単なゲート制御でさえ複雑かつ動作余
裕の少ない回路構成となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は超高速
で伝搬する上記磁束量子をタイミング余裕が大きく、か
つ非破壊的にゲート制御する方法を提供し、高速でかつ
動作余裕の大きい超伝導回路を実現することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的のために、本発
明では上記ジョセフソン伝送線路に伝送される上記磁束
量子信号の伝搬を制御する素子を上記ジョセフソン伝送
線路に挿入する方法を採用する。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は本発明による磁束量子のゲ
ート制御の原理を示している。図1のジョセフソン伝送
線路300は図2と同様にジョセフソン接合101と伝送イン
ダクタ102と定電流源103を単一の区間とし、その区間を
複数個直列に接続した構成をしている。図1の回路構成
では、上記ジョセフソン伝送線路300上の磁束量子の伝
搬を制御するためにジョセフソン接合311、定電流源303
の上記区間と次のジョセフソン接合301、伝送インダク
タ302の上記区間との間にジョセフソン素子450を1個挿
入してある。
【0010】上記ジョセフソン伝送線路300の左から量
子磁束200を印加すると量子磁束が伝搬してジョセフソ
ン接合311に達する。ジョセフソン接合311に達した磁束
量子は上記ジョセフソン接合311を電圧状態にするか
ら、今まで定電流源303から上記ジョセフソン接合311に
流れていた電流は上記ジョセフソン素子450と隣の区間
の伝送インダクタ302を介して、ジョセフソン接合301に
達する循環電流305となる。
【0011】この循環電流305によりジョセフソン接合3
01が電圧状態になれば、先の説明と同様に循環電流がそ
の次の区間に流れ込む。その結果順次誘起される循環電
流により順次各区間のジョセフソン接合101を一時的に
電圧状態に遷移させる。この動作は磁束量子が上記ジョ
セフソン素子450を通過してさらに遠くへ伝搬すること
になる。
【0012】一方、上記循環電流305により上記ジョセ
フソン素子450が電圧状態に遷移すると、上記循環電流3
05は上記ジョセフソン接合311に押戻されるため、上記
ジョセフソン接合301は電圧状態に遷移しない。この場
合、磁束量子の伝搬はこの区間でストップすることにな
る。
【0013】以上説明した如く、循環電流305でジョセ
フソン素子450が電圧状態にならなければ磁束量子を通
過させ、上記ジョセフソン素子450が電圧状態になれば
磁束量子の伝搬を阻止する。従って、上記ジョセフソン
素子450がその臨界電流を制御できる素子であればジョ
セフソン伝送線路を伝搬する磁束量子のゲート制御がで
きる。
【0014】図3はジョセフソン素子450に量子磁束パ
ラメトロンを使った例である。量子磁束パラメトロンは
人工的(アーテイフィシャル)なジョセフソン接合のモ
デルでその詳細動作は例えば、アイイーイーイー トラ
ンザクションズ オン アプライド スーパーコンダク
ティビティ( IEEE Trans.Applied Superconductivit
y), vol.1,pp.90−94, June 1991に開示されてい
る。量子磁束パラメトロン400は2個のジョセフソン接合
401、402とトランス405の2次巻線403で超伝導閉回路を
構成している。上記量子磁束パラメトロン400の制御電
流250は上記素子の励振電流としてトランス405の1次巻
線404に印加される。
【0015】この回路構成では、1次巻線404に制御信号
電流250が印加されると、上記超伝導ループに磁束が鎖
交し、等価的に上記量子磁束パラメトロンの臨界電流が
減少する。もし制御信号電流250が零の場合には上記量
子磁束パラメトロン400の臨界電流が上記循環電流より
大きく、制御信号電流250が流れた場合、上記量子磁束
パラメトロンの臨界電流が上記循環電流より小さくなる
様にできれば、上記量子磁束パラメトロン400で磁束量
子のゲート制御出来ることは明らかである。
【0016】図3の回路では、ダンピング抵抗を上記量
子磁束パラメトロン400のジョセフソン接合401、402に
並列に接続すると、如何なる条件ででもこの抵抗を介し
て磁束量子は上記量磁束パラメトロン400を通過してし
まう。このため、図3ではダンピング抵抗406をトラン
スの一次巻線403に並列に挿入してある。
【0017】図4は図3の制御信号電流250を上記ジョ
セフソン伝送線路300に供給する方法を示している。図
4の回路構成では第1の上記ジョセフソン伝送線路300
に挿入された量子磁束パラメトロン400の制御信号電流2
50を第2のジョセフソン伝送線路320の循環電流250とし
て供給する方法である。
【0018】このため、上記量子磁束パラメトロン400
のトランスの一次巻線404は上記第2のジョセフソン伝
送線路320の伝送インダクタとして配置されている。上
記第2のジョセフソン伝送線路320のジョセフソン接合3
41には電流源が接続されていない。従って、上記第2の
ジョセフソン伝送線路320の電流源353から流れる電流は
直接ジョセフソン接合351に流れるか、上記量子磁束パ
ラメトロン400のトランスの一次巻線404を介してジョセ
フソン接合341に流れる循環電流250になる。この循環電
流250が上記量子磁束パラメトロン400を制御する。
【0019】上記循環電流250は上記第2のジョセフソ
ン伝送線路320に印加される磁束量子210と211により制
御される。即ち、図4の状態で、上記第2のジョセフソ
ン伝送線路320の下方から入力された磁束量子211は上記
循環電流250を流す様に動作するセットパルスとして動
作し、上方から印加された磁束量子210は上記循環電流2
50はジョセフソン接合351に押し返すリセットパルスと
して動作する。
【0020】図5は本発明による回路で論理積を行う回
路の実施例である。図5の回路構成では、上記ジョセフ
ソン伝送線路300の2個の量子磁束パラメトロン400、420
を挿入してある。上記第1の量子磁束パラメトロン400
には制御信号電流250が供給され、上記第2の量子磁束
パラメトロン420には制御信号電流251が供給される。図
5の状態で、上記ジョセフソン伝送線路300には左側か
ら磁束量子200が印加され、上記2個の量子磁束パラメト
ロン400、420のゲート制御を受けて、上記ジョセフソン
伝送線路300の出力信号である磁束量子220となる。
【0021】この回路で、出力信号である磁束量子220
が現れるのは2個の制御信号電流250、251が共に零の場
合で、各々を論理信号のAとBで表せば、出力信号は A B
となる。したがって、図5の回路は論理積を実行する
ことは明らかである。また同様に、複数個の量子磁束パ
ラメトロンを上記ジョセフソン伝送線路に挿入して多入
力信号の論理積回路を構成できる事は明らかである。
【0022】図6は本発明による論理積を行う回路の実
施例である。図6の回路構成では、上記ジョセフソン伝
送線路300と第2のジョセフソン伝送線路350を使う、各
々のジョセフソン伝送線路には量子磁束パラメトロン40
0と470が挿入されている。上記量子磁束パラメトロン40
0、470の制御信号電流は各々250、251である。
【0023】上記第1、第2のジョセフソン伝送線路30
0、320に磁束量子を伝送するのに、第3のジョセフソン
伝送線路330が使われ、上記第1、第2のジョセフソン
伝送線路300、320から出力された磁束量子を集めるのに
第4のジョセフソン伝送線路340が使われる。第3のジ
ョセフソン伝送線路330に印加された磁束量子200は上記
第1、第2のジョセフソン伝送線路300、320に伝送さ
れ、量子磁束パラメトロン400、470を介して、上記第4
のジョセフソン伝送線路340で集められ、出力の量子磁
束220となる。
【0024】この回路で、出力信号である磁束量子220
が現れるのは2個の制御信号電流250、251のどちらかが零
の場合で、各々を論理信号のAとBで表せば、出力信号は
A+ B となる。したがって、図6の回路は論理和を実
行することは明らかである。
【0025】また同様に、複数個の上記ジョセフソン伝
送線路300、350等を上記ジョセフソン伝送線路330、340
の間に挿入して多入力信号の論理和回路を構成できる事
は明らかである。図5、図6の回路構成は量子磁束パラ
メトロンを使った回路で説明を行ったが、他に臨界電流
を制御できるジョセフソン素子を使って同様な回路を実
現できることは明らかである。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、ジョセフソン伝送線路
で高速に信号を伝送する磁束量子の伝送をゲート制御で
きる。さらに論理動作を高速で実行できる。このため、
本発明により超高速の計算機や他のデジタルシステムを
実現できるため、その効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超伝導回路の動作原理の説明図。
【図2】従来技術によるジョセフソン伝送線路の回路
図。
【図3】本発明の一実施例の超伝導回路の回路図。
【図4】本発明の一実施例の超伝導回路に制御信号電流
を供給する方法の説明図。
【図5】本発明の一実施例の論理積動作を実行する超伝
導回路の回路図。
【図6】本発明の一実施例の論理和動作を実行する超伝
導回路の回路図。
【符号の説明】
100:ジョセフソン伝送線路、101:ジョセフソン接合、
102:伝送インダクタ、103:定電流源、200、210、21
1、220:磁束量子、250、251:制御電流、300、320、33
0、340、350:ジョセフソン伝送線路、301:ジョセフソ
ン接合、302:伝送インダクタ、303:定電流源、305循
環電流、311:ジョセフソン接合、341:ジョセフソン接
合、353:電流源、351:ジョセフソン接合、400、420,
470:量子磁束パラメトロン、401、402:ジョセフソン
接合、403:2次巻線、404:1次巻線、405トランス、40
6:抵抗、450:ジョセフソン素子。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジョセフソン接合とインダクタと定電流源
    を単一の区間とし、その区間を複数個直列に接続したジ
    ョセフソン伝送線路であって、上記区間の間に臨界電流
    を制御できるジョセフソン素子を挿入し、上記ジョセフ
    ソン素子の臨界電流の制御により上記ジョセフソン伝送
    線路上の磁束量子の伝搬を制御することを特徴とする超
    伝導回路。
  2. 【請求項2】請求項1の超伝導回路であって、上記ジョ
    セフソン素子に量子磁束パラメトロンを用いたことを特
    徴とする超伝導回路。
  3. 【請求項3】請求項2の超伝導回路であって、量子磁束
    パラメトロンの臨界電流を制御する制御信号電流を他の
    ジョセフソン伝送線路の循環電流とすることを特徴とす
    る超伝導回路。
  4. 【請求項4】請求項1の超伝導回路であって、上記ジョ
    セフソン素子を複数個、上記ジョセフソン伝送線路に挿
    入した構成を有し論理積動作を実行することを特徴とす
    る超伝導回路。
  5. 【請求項5】請求項1の超伝導回路であって、上記ジョ
    セフソン伝送線路を複数個並列に並べ、上記複数個の伝
    送線路の出力を他のジョセフソン伝送線路で集める構成
    を有し、論理和動作を実行することを特徴とする超伝導
    回路。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005328371A (ja) * 2004-05-14 2005-11-24 Fujitsu Ltd 超電導回路
WO2021156538A1 (en) * 2020-02-04 2021-08-12 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Self-resetting single flux-quantum microwave photodetector

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