JPS59139728A - 超伝導磁束量子論理回路 - 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】 本発明は、ジョセフンン電子計算機回路等に用いられる
高速性に優れた超伝導磁束量子論理回路に関する。

超伝導磁束量子論理回路素子として、ジョセフンン接合
を含む超伝導閉回路の特質を利用したカントロン（Ｑｕ
ａｎｔｒｏｎ　）　　と呼ばれるものが提案されている
が、説明の便宜上、この従来技術との比較は後記し、以
下、先ず本発明を添付図面により詳しく説明する。

第１図によって本発明に用いる基本素子の原理を説明す
る。第１図のＭＬは１つの超伝導ループ（以下「主ルー
プｊともいう）であり、これに基本磁束量子Φ。（２ｘ
　１　ｏ””　ｇａｕｓｓ　ａｎ−２）のＮ倍の磁束Ｎ
Φ。が抽え、られているとする。超伝導の性質上ＮＩｉ
整数に限られ端数は許されない。捷だ、磁束ＮΦ。は主
ルーツを循環する永久電流１ｐ　　によって保持され超
伝導を破壊しない限り永久に同一値を保つ。第１図のＳ
Ｗは、主ルーフ’ＭＬを２つの領域ＬＬ、ＬＯ（以下「
副ループ」ともいう）に分割する超伝導スイッチである
。このスイッチが開かれている状態では、＠１図（０）
に示すように副ループＬＯにはΦ０の半奇数倍Φ１＝（
ｎ　＋　１／２　）Φ０の磁束が分、布し、副ルーフ’
ＬＯには半奇数倍Φ０＝（ｍ−１／’２　）Φ０の磁束
が分布しているものとする。ただしｍ　＋　ｎ　＝　Ｎ
である。

ここで、スイッチＳＷを閉状態（第１図（Ｅ））にする
と、２つの副ループには半端な磁束量子は許されないの
で、整数値への切上げ、切ドげが生じる。その整数値は
スイッチが開状態（第１図（Ｄ））で外部から電流１を
介して与えられる微小な制御磁束にΦＯの正負で決まる
。すなわち、ｋ）０ならば、Φ１＝（ｎ＋１）ΦＯ１Φ
０＝（ｍ−１）Φ０という状態が出現し、ｋ＜０ならば
、Φ］　＝　ｎΦＯ１ΦＱ＝ｍΦ０の状態が出現し、こ
の２種の状態によって１ビツト２進論理変数（例えば、
前者〃０〃。

後者〃１１）を表わすこととする。微小な外部制御卸磁
束にΦ０によって、谷副ループごとに士Φｏ／２の磁束
が制御されることになり、イｉ副ループごとに１／（２
ｋ）の１″遊束増中がなされたことになる。

このように、第１図の基本素子は分割不可能な１個の基
本磁束量子を半分に割るように、主ルーツを２個の副ル
ーズに分割することによって磁束増巾作用を得るもので
あ２す、これに因んで〃パイセクトロン（Ｂ１５ｅｃｔ
ｒｏｎ　）　ｌＩとも呼ぶことにする。

整数ｒｉＯ値は原理上任意の値でよいが、安定性などの
観点から今後はもつけらＮ　＝　０．１　（Ｎ＝−１は
磁束の方向を逆にすれば、Ｎ＝１と同等）の場合のみを
取扱い、またスイッチ閉状態で２個の副ループＬ１．Ｌ
Ｏははｙ等しい自己インダクタンスＬをもち、スイッチ
開状態で主ループＭＬばは′ｉ２Ｌの自己インダクタン
スをもつものとする。

第１図の基本素子でスイッチの開状態時に、主と副ルー
プに印加されている直流磁束は主ルーツ自身を流れる永
久電流によって与えられている点からＩ主ルーゾ永久電
流バイアス型〃と呼ぶ。なお、永久電流バイアスは超伝
導ループ冷却時に適当な外部磁界を主ループに与えるこ
とによって実現できる。

これに対して％第２．３図は主ルーフ外の翔；流ルーツ
によってバイアス磁束を与える外部／（イアス型の基本
素子を示す。第２．５．４図の１８は直流バイアス電流
であって、主ループ中に書かれている”＋〃と〃−〃の
記号はそれぞれ＋Φ０／２、−Φ０／２の磁束を表わす
。第２図におけるスイッチ開状態（Ｄ）と開状態（Ｅｌ
）と（ＥＯ）において、主ループを流れる電流１Ｍ、副
ループを流れる電流１１、ＩＱ、スイッチ部を流れる電
流１８の状況は、Ｎ＝ｌの主ループ永久電流ノ４イアス
型と同一である。

第３図では２個の副ループに−Φ０／２．＋ψＯ／２の
直流バイアス磁束が外部から印加されている場合である
。スイッチ部を流れる電流ｌ、の状況は第２図と同一で
あるが、スイッチ開状態（Ｄ）におはる主ループ電流は
零（ＩＭ二〇）である点。

およびスイッチ閉状Ｒ（Ｅｌ、ＥＯ）における副ループ
電流１１．１０の値が±ψ０／２Ｌと対称的である点が
異なる。以下、スイッチ開状態における副ループ電流が
±Φ０／２Ｌの値をとる第３図の基本素子をｌ対称型〃
と呼ぶ。

次に、第４図は主ループに非循環的なバイアス電流Ｉ８
を流す型式のものを示す。この場合もスイッチ部を流れ
る電流の状況Ｆｉ第２％３図と同一であるが、副ループ
電流の状況は異なっている。

第２．３，４図のスイッチ部電流１６、副ループ電流１
１．１０の状況は、スイッチ開状態（Ｄ）ではｘ　＝　
１　／　２　＊　　スイッチ閉状態（Ｅｌ、ＥＱ）でば
×＝１又はＸ　＝　Ｏの論理値を表わす３値変数Ｘを使
うと、第１表のように総括される。

第１表 こ＼で、ｂｌ・ψｏ　／　ＬとｂＯ・Φｏ／Ｌ　はそれ
ぞれの副ルーｆ（ＬＸとＬＯ）にスイッチ開状態時に流
れるバイアス電流である。それらは図面ごとに互に相異
なるが、いずれの場合本基本磁束率・子Φ０を半分に割
るようにスイッチを閉じるので。

閉状態におけるスイッチ電流１８は同一の値２（Ｘ−１
／２）Φｏ／Ｌをもつ。したがって、副ループの電流バ
イアス値の差異以外は、第２，３％　４図の基本素子は
スイッチ開状態時に印加された微小な入力磁束にΦ０に
よって、スイッチ閉状卵の磁束量子の分布を制御する点
において同一の作用効果をもつ。

以上の説明では、基本素子に使用される超伝導スイッチ
ＳＷけ説明の便宜上、機械的なスイッチのように図示し
てきたが、実際には電磁気的なスイッチ信号ＳＳに感応
して作動する電子スイッチを使用する。この状況は第５
図のように表わすこと＼する。

すなわち、同図で三角形で表わしている部分は電子スイ
ッチ１４ＳＷであり、ＳＳＧはスイッチ信号印加手段で
ある。なお、磁束バイアス印加手段と外部入力印加手段
は他の図面で表わしたので省略しである。

次に、この電子スイッチの実現法の語例を示す。

第６図で、１８はスイッチ部を流れる電流、ＳＣはスイ
ッチ部を構成する超伝導体、Ｃ８，はスイッチ制御電流
’ｓｓを流すコイルであり、（Ａ）図は原理図で、（Ｂ
）図はそれを薄膜化したものを示す。スイッチ制御電流
によって発生する磁界Ｈｓｓが超伝導体ＳＣの臨界磁界
Ｈｃ　　を越えると、超伝導体ＳＣは常伝導状態すなわ
ち開状態となる。第６図の場合には、磁界Ｈｓｓとスイ
ッチ部を流れる電流ｌＳの向きが平行であるのでｌ平行
型またはクライオトロン（Ｃｒｙｏｔｒｏｎ　）　　型
スイッチ〃という。

第７図の場合には磁界ＨＳ５とスイッチ部を流れる電流
１８が直交しているので、〃直交型スイッチｌと呼ぶ。

超伝導体が非常に薄い膜の場合のスイッチ特性は１次に
述べる直ｆＭ、　ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ　（超伝導量子干渉素
子）と類似している。

笹８図は直流５ＱＵＩＤをスイッチ部に使用するもので
ある。（Ａ）図で、Ｊ］、、Ｊ２Ｉ／′ｉジョセフンン
接合であって、スイッチ制御電流’ｓｓが２個の接合Ｊ
１％　Ｊ２を周回するループに磁束Φｓｓを通そうとす
ると、但）図に示すようにΦｓｓ＝±Φｏ　／　２の時
に臨界超低導電ｆＭ、Ｉ　Ｃは最小値’ＭＩＮをとり。

’ｓｓ　”　ｏのとき最大値’ＭＡＸをとることは、直
流５ＱＵＩＤとして周知のところである。

（Ｃｌ図では２個のジョセフンン接合ｊ１％　Ｊ２を直
列にしてその中点にスイッチ制御電流’ｓｓを流すもの
である。

第２％　３．４図に示した基本素子で、スイッチ開状態
では１ｌｃｌ＜ψｏ　／　Ｌ　、閉状態では１ｔｏｌ＞
ａ／Ｌであれば、前に説明した基本素子の作ハＪ＠呆が
用層、するのである。

第９図ではスイッチ部は超伝導体薄ＩＩ＠　Ｓ　Ｃであ
って、こ＼に電磁波（光）Ｒ８６をスイッチ制御（Ｍ号
として与えると、Ｒ５ｓの熱作用、光励起による超伝導
電子の増減などのため、超伝導臨界宿所１ｃが変化する
ことを利用して基本素子に必要なスイッチ作用を得るも
ので、〃電磁波型スイッチ〃と呼ぶことにする。

以上に述べた苓本素子（Ｂ１５ｅｃｔｒｏｎ　）の初数
個を超伝導自己インダクタンスと相互インダクタンス（
〃超伝導Ｉを冠するのは直列直流抵抗が零である意味）
よ構成る超伝導インダクタンス回路網を介して結合する
ことにより、闇値論理演算回路が構成される。すなわち
、１個の基本素子の微小制御磁束入力として、他の基本
素子の副ループ電流１１．１０またはスイッチ部電流１
５　をＭ３云心インダクタンス回路網を介して印加する
。

第１０図において、８１．８２．８３と８４は第３図の
対称型基本素子（磁束バイアス回路は記入省略）とし、
ｓｌ、Ｂ２と８３Ｈスイツチ閉状態にあってそれぞれｘ
、ｙと２の論理値を表わすとする。第１０図では８４は
Ｂ１．８２．８３とインダクタンス回路網（この場合、
自己インダクタンス）によって結合され、Ｂ４の副ルー
プＬ１のインダクタンスＬは３個の微小インダクタンス
ｋＬと残余の部分（１−３ｋ）Ｌに分割されている。Ｂ
４のスイッチを開状態から閉状態に切換えたとき、Ｂ４
の表わす論理値ｆ　ｉｊ　ｘ％９、ｚの多数決論理関数
ｆ　＝　ｍａｌ　（ｘ％　Ｖ％Ｚ）となる。第１０図の
基本素子間を結合する自己インダクタンスｋＬ　を相互
インダクタンスＭ＝ｋＬ　に変更したものが第１１図で
あり、作用効果は第１０図のそれと全く同一であるが、
全ての基本素子が直流的に絶縁されている点がその特徴
である。もつと複雑な超１致導インダクタンス回路虐で
結合する場合には、この絶縁作用は極Ｃ−１て有用であ
り、また多数の基本素子を使う場合には、共Ｊｊｕアー
ス市流帷音が皆無である点が大きな利点である。

第１２図では、基本素子２個間の結合に２ケのイｌ互イ
ンダクタンスＭ′とＭ“　（Ｍ′・Ｍ“−ｋＬ２とする
。）を使用するものである。中間のループ１１、Ａ２、
Ａ３を超伝導体で構成すれば、１１β伝導磁束変圧器作
用により直流磁束も伝達をれるので、第１０．１１図と
同一の作用効果がある。

また、第１２図では結合用のルーｆ　ｌｌ、１２、Ａ３
が基本素子とすべて直流的に絶縁されているので、論理
回路を超伝導体薄膜で作成する場合、基本素子と結合ル
ープとを別個の板材の上に製作し、後から２枚の板材を
第１３図に示すように磁気的に密着させることにより、
全回路が完成するという製命技術上の利点がある。すな
わち、第１３図の板材Ｂの上面に基本素子を、板材Ａの
下面に結合ループを形成するのである。

第１０．１１．１２図では、基本素子の副ループ間、す
なわち副ループ電流をインダクタンス回路網で結合して
いるが、第１４図のようにスイッチ都電、流（１ｓ）を
インダクタンス回路網で結合しても同一の作用効果が得
られる。

第１０．１１．１２図の多数決論理回路において、変数
２を０，１の定数に固定すれば、　ａｎｄ回路と０「回
路が得られる。

ａｎｄ　（Ｘ％　　ｙ　）＝ｍａｌ　（Ｘｓ　　Ｖｌｏ
　）ｏｒ（×、ｙ）＝ｍａｌ（ｘｓ　Ｖ％　　１）この
場合、２は一定の直流ノくイアス磁束を供に１するに過
ぎないから、わざわざ基本素子から供給する必要はなく
、直流ノ４イアスを調整すればよい。

このためには、基本素子Ｂ４の画副ルーズに印カロされ
るＷ流バイアス磁束を微小財（±にψ０／２）だけ変化
させればよい。

対称型基本素子では、第１表に示したように論理変数値
Ｘの０％　１に応じてスイッチ部電流１ｓ。

副ループ電流１１，１０は、それぞれ±ψ０／Ｌ。

±Φｏ　／　２　Ｌ％手ψ０／２Ｌと、いずれも電流の
極性が逆転する。したがって、Ｘの否定丁を表わすには
電流の極性を逆転すればよく、特別な否定回路素子を必
要としない。例えば、第１０．１１．１２゜１４図の多
数決回路でＸを否定７に変更した関数ｆｉ’＝ｍａｌ　
（ｘ、ｙ−ｚ　）を実現する回路を作るには、基本素子
Ｂ１と８４の間の結合極性を逆転すればよい。第１５図
はこれを実現する方法を示すもので、第１０．１１．１
２．１４図の８１と８４間の結合部のみを示し他の結合
（ｙ、ｚ入力配線）は省略しである。第１５図の（Ａｌ
　Ｏ）・（Ａｌｌ）、（Ａ１２）、（Ａ、　１４　）は
それぞれＡ１０．１１，１２．１４図の信号×を表わす
電流の極性を逆転した回路である。

第１表から対称型基本素子の副ループＬ１とＬＯの電流
の向きが逆転されている。これを利用して×の否定出力
電流を得るのが第１５図（Ｂ１）であり、Ｂ４の逆側の
副ループ（ＬＯ）にＸの肯定電流を流し、Ｂ４にＸの否
定入力を導入するのが（ＢＯ）である。

第１，２％４図の非対称的基本素子を第１０゜１１．１
２．１４．１５図のように、インダクタンス回路網で結
合して対称型基本素子の場合と同様に論理演算を実行で
きるが、この場合には副ループを流れるバイアス電流値
（第１表のｂｌ、ｂｏ）を考慮してバイアス磁束を調整
する必要がある。この４１４整は入力側のみならず出力
側に接続されている基本素子の分も含めて行う必要があ
る。

これを第１６図によって説明すると、第１６図のｅｌ、
ｅ２．８３．８４と８５は、第２図の型の基本素子とす
る。ｓｌ、ｓ２、Ｂ３とＢ４の相互接続状況＆ｆ［１０
図と全く同じであるが、Ｂ４の出力を８５の入力として
使用するたぬインダクタンス結合が追加されている。こ
の場合の副ループのバイアス電流の影響は、入力側（８
１，８２゜８３）が＋３にΦｏ　／　２Ｌ　＊出力側（
Ｂ３）が−にΦ０／２Ｌでこれを加算すると、２にΦ０
／２Ｌの直流バイアス入力が８４に入ることになるので
、第１０図と同一の作用効果を得る。Ｂ４には−２にΦ
ｏ／２に相当する直流バイアス磁束の調整を要する。

ｘｌ、ｘ２・・・・・・・・・ｘｙｌは０と１の値をと
るｎ個の２値論理変数とする。ｎ変数論理関数ｆ　（ｘ
ｌ、Ｘ２、・・・・・・ｘｎ　）　　の値が、 ｗ１ｘ１＋　Ｗ２Ｘ２　＋　−−ＷｎＸｎ　−Ｔ　＞　
０であればｆ＝１、でなければｆ＝０となる場合、ｆは
閾１直論理１！Ａ数という。ここで、ｗｌ、ｗ２・・・
・・・Ｗ（１は変数の重み、Ｔは閾値と呼ばれる正又は
負の定数である。

例えば、３人力多数決関数ｍａｌ（ｘｌ、ｘ２、ｘ３　
）はｗｌ　＝　ｗ２　＝　ｗ５　＝　１、Ｔ　＝　３／
２　として閾値論理１刀数である。１個の基本素子をイ
ンダクタンス回路網で他のｎ個の基本素子と結合する回
路において、インダクタンス結合の強度を市みｗｌ、ｗ
２・・・Ｗｎ　　に比例させ・ぐイアス磁束値を・・司
値Ｔに４目当するように調整することにより、閾値論理
関数ｆ（×１、×２、・・・・・・Ｘｎ）を実現する回
路が得られる。

インダクタンス回路網は受動線型回路であるので、基本
素子間の結合に方向性をもたせることはできない。すな
わち、第１７図に示すように、基本素子ＸとＦが強度に
で結合されているとする。

（ＸＦ）のようにＸがスイッチ閉状態にあるとすると、
Ｘは±Φｏ　／　２　　の磁束−縫子の変化分の影響を
スイッチ開状態にあるＦに士にΦｏ　／２だけ及はす。

逆に（ＦＸ）のようにＦがスイッチ閉状態にあるときの
影響は、スイッチ開状態にあるＸに±にΦｏ　／　２だ
け及ぶ。したがって、インダクタンス回路網結合では２
個の基本素子相互間の信号の伝達に方向性はない。

インダクタンス回路網によって相互に結合されている多
数の基本素子からなる調理回路において、信号伝達に方
向性をもたせるにはパラメトロンと同様にスイッチ部を
６組以上の多相スイッチ信号によって開閉すればよい。

第１３図は６相のスイッチ信号を示す。すなわち、第５
図のスイッチ信号日］加十段ＳＳＧが第１８図の５相の
スイッチ信号を供給するのである。

基本素子を相１．２．３でそれぞれスイッチされる３組
に分けると、３相（′５以上の多相でも同じ）のスイッ
チは順次かつ循環的に開１．＋１ｉれるので、絹１（相
１）の信号が組２に、組２のそれが組３に、組３のそれ
が組１に循環的に方向性をもって伝わる。逆行信号は各
相（例えば相１）のスイッチが開から閉に変化するとき
には切れている（相２は開状態）のでその影響は現われ
ない、次に、いくつかの留意すべき点について述べる。

第１図の基本素子の原理図では、スイッチ部ＳＷは王ル
ーフ’ＭＬを分割する位置に直接接続されていたが、第
１９図のように相互インダクタンス（磁束変圧器）Ｍを
介して接続しても同一の作用効果が得られる。要は、ス
イッチ部が主ループを４ｊｉ＆気的に副ループ（Ｌｌと
ＬＯ）に分割するように接続されることにより、同一の
作用効果が得られる。いずれの場合にも、スイッチを閉
じた時に、スイッチ部を磁束昨子の半端部士Φ０／２だ
けがいずｈかの方向に通適して、安定な超伝導磁束量子
状態が出現する。

次に、直流バイアス′亀流ＩＢ　　を流す回路は主ルー
プ内の４日束分布変化に対して不感応であることが望プ
しい。すなわち、主ループ内でスイッチ部の開閉などに
伴い磁束の分布が変化したとき罠、直流バイアス電流回
路にパルス起電力が発生しないことを不感応と呼ぶこと
にする。有感応であると直流バイアス回路を通じて雑叶
的な基本素子の結合を生じ特性が−ｆＬ（劣化する。特
に直流バイアス回路を（直流抵抗が苓である）・ｊ石仏
導線で多数の素子に直列に供給する場合、この不感応条
件は重要である。例えば、第２０図は第２図の基本素子
２個（Ｘ、Ｆ）のバイアス電流回路を直列にしたもので
ある。ＣＩ、Ｃ２、Ｃ５を浮遊容量とすると、このバイ
アス回路は有感応であるので、どんな不測の事態が起る
か分らない。

第４図の基本素子では、この不感応条件が明らかに満た
されている。

第３図の基本素子では２個の副ループに流すバイアス電
流１日　を第２１図に示すように直列にすると有感応と
なり、第２２図に示すように１素子内は）直列に、他素
子とは直列にすることにより不感応となる、 直流バイアス電流供給法には、さらに直流浮遊磁界の問
題がある。すなわち、第４．２０．２１図の直流バイア
ス電流ＩＢを流す電線（バイアス線と呼ぶ）では、各基
本素子と）１互インダクタンスで結合している部分は所
定の直流磁束バイアスを与えるようになっているが、バ
イアス線のその他の部分で発生する磁界の影響は考慮さ
れていない。また、直流バイアス電流を多数の基本素子
に直列的に供給する場合、直流電流の帰還、腺の影響（
それどころか帰還線の位置も明示されていない。）も考
慮されていない。基本素子は直流４東に感応する素子で
あるから１σ流バイアス電流の全所中経路にわたり、そ
れ耘発生する浮遊１ａ界が不測の効果をもたらさないよ
う配慮が必をである。この種の効果を充分に減少せしめ
た直列直流バイアス電流の供給法を次に示す。

第２３．２４図でＸとＦは第４図の型の基本素子とし、
実線は一平面内のコイル、鎖線はそれより一層下のコイ
ル（導線）、点線はそれより一層上のコイルを表わす５
層導線薄膜で構成されている基本素子群とする。

第２６図の場合には、直流バイアス電流ＩＢ　　の帰還
線（鎖ａ）は各基本素子の２ケの副ループに差動的な磁
界Ｈを与え、これは直流バイアスの移動に相当し、この
影響を考慮しないと基本素子は正しく作動しない。一方
、第２４図のように帰還線を上Ｆ層に設ければこのよう
な影響はない。２層の帰絖線でも帰還線の位置を調整す
ることにより、帰還路の影響は消去できる。ｂずれにせ
よ、直流バイアス電流の還流路はその立体的な溝迄を考
慮して浮遊磁界の悪影響がないように作成しない限り、
安定な作動は実現できない。

同様な留意事項はスイッチ制御信号の供給についても必
要である。第２５図は第８図の直流ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ　　
型スイッチの場合のスイッチ電流１５ｉｓの供給法の一
例を示す。Ｉｓｓの形成する磁界は必要部以外は往路と
帰路が近接したストリップラインＳＬで形成し、スイッ
チ制御電流１ｓｓの形成する浮遊磁界の影響を１経減し
ている。

次に、基本素子を作動させるに必要なエネルギーについ
て述べる。

第２，６．４図のいずれの基本素子もスイッチ閉状態で
スイッチ部を流れる電流は１ｇ＝±ΦＯ／Ｌで、これが
Ｌ／２のインダクタンス負荷に流れるので、εｏ＝ｌｓ
Ｌ／４＝Φ０２／４Ｌだけ８イ２チ閉状態のＢｍエネル
ギーが高い。このエネルギーは結局、スイッチ制御信号
から供給されるわけであ　。

す、スイッチを周波数ｆのスイッチ信号で開閉すれば、
Ｐ＝ｆ［：　の電力を必要とする。

今、基本素子の１つの立体的構造が与えられたとき、こ
れを長さで１／Ｎに縮小すると、１素子当りの所要エネ
ルギーはＮＥｏとＮ倍となる。すなわち、小型化する程
所要のエネルギーがＭ大する。　。

このエネルギーを減少させるには、コイルの断面積を変
えずに捲数をｎ回にすれば、エネルギーはＥｏ／ｎ２と
１／ｎ２　になる。第２６図は２回捲の基本素子を示す
。この場合、主ループは２個の２回連コイルから成るが
、超献導ルーゾであることに変りない。また、副ループ
Ｌ１とＬＯはそれぞｉ″Ｌ、２同市のコイルから形成さ
れる。

以上に述べた本発明の基本素子（ｅｌｓｅｃｔｒｏｎ　
）に類似した素子にカントロン（Ｑｕａｎｔｒｏｎ　）
　　が提案されているので、本発明と対比して説明する
。

第２７図はカントロンの原理図であり、記号は全て第４
図と同一で第４図の基本素子から主ループＭＬと副ルー
プＣＯを取外したものに相当する。

すなワチ、カントロンはパイセクトロンの半かけといえ
る。両者の重要な差異は、カントロンでは微小磁束人力
にΦ０によって１個のループＬ１の磁束が士Φｏ５／２
だけ制御されるのに対して、パイセクトロンでは２個の
副ループＬ１．ＬＯのそれぞれの磁束が士Φｏ／２、〒
Φｏ　／　２に制御され、出力として使うことのできる
磁束変化の総量が力／トロンの２倍であることと、スイ
ッチ開状態では独立な２個のループから出力磁束が取り
出せることにある。特に、この２倍効果は重要である。

その−例として、第２８図に２分岐回路、すなわち１個
の素子（パイセクトロン又はカントロン）ｘの出力を他
の２個の素子ＦとＧに送る場合をあげる。

第２８図で（Ｅｌｌ　、　（Ｑ）はそれぞれパイセクト
ロンとカントロンの場合であり、結合には第１１図の相
互インダクタンス結合を用い、バイアス電流回路（ｋΦ
０８度の直流バイアス調整を含む）は図から省略しであ
る。

素子は多相クロックでスイッチが開閉はれ、Ｘは相１、
Ｆ、Ｇは相２の群に鵬するとする。今、Ｘはスイッチ閉
状態にあり、ＦとＧは（鏑刀１ら閉状態に移る瞬間を考
える。ＦとＧは完全に同特性ではなく、一方例えばＦが
多少堅めに閉状態になるとすると、Ｆの状態変化が後発
のＧの人力磁束に影響を及ぼす歇れがあり、これを〃同
相’＋！ｆｌ＝　ｆｆ　’と呼ぶことにする。パイセク
トロンの場合（Ｂ）、Ｘの閉状態では２１固の副ループ
は完全に独立であるから同相雑音はなめ。一方、カント
ロンの場合（Ｑ）、Ｆの先発状態変化はＸのループＬ１
を経由して後発Ｇの入力に同相雑音として悪影響を及ば
ず。

安定から安全にとれる出力分岐数の最大１直をＮ＝　２
　ｎとする。Ｎが大きいことは論理回路の構成上非常に
重要である。パイセクトロンの場合、Ｎ分岐は２つの副
ループで半分ずつ分担すれば、最悪の同相雑音は（ｎ−
１）個からのもので、正規入力磁束をにΦ０とする同相
雑音の最大値は（ｎ　−１）ｋ２Φ０で、同相雑音のＳ
／Ｎ比はに；１／ｋ　　として、Ｓ／Ｎ＝に／　（ｎ　
−１）である。一方、カントｏｙではこの値は、ｓ／Ｎ
＝に／（２ｎ−１）である。これを示すのが第２表であ
り、これからパイセクトロンの２個の副ループの効用が
著しいものであることが理解される。

第２表 カントロンの１つの重要な欠点は直流１４イアス宵１流
（ＩＢ）線の有感応性にある。換言すれば、カントロン
のスイッチ部を（スイッチ開閉時に）通過してループＬ
１の外に出る±Φ０／２の磁束は無限通貫で逃げる途中
で直流バイアス線を介して雑音として悪影響を及はすの
である。これを回僻する手段としては、カントロンを第
２９図に示したように須伝導のシールＰ・ループＳＬを
囲んで磁束変化をシールド・ループの内部に限定する方
法が考えられる。（Ａ）は独立ループで（Ｅｌ）ではシ
ールド・ルーズの半分をカントロン・ループと共用して
いる。この場合、直流バイアス線を完全に不感応トスる
にはシールド・ループのインダクタンスをルーフ’Ｌｌ
のインダクタンスＬの丁＋ｉ　２　ｔｂｒにすればよい
。

ところが、その結果はシールド・ループＳＬを主ループ
とするパイセクトロンに他ならない。すなわち、第２９
図（Ａ）Ｖｉ第１９図（Ｂ）に、第２９図（Ｂ）は第４
図のパイセクトロンに相当する。

このように、カントロンの直流バイアス電流回路を合理
的にシールド・ループでシールドＬ＆ことに相当するも
のがパイセクトロンであり、カントロンでは無限遠に逃
れて無駄（実際には雑音の愚作用をする）になっている
士Φ０／２の磁束を、パイセクトロンでは出方とじて有
効に活用してｂるものといえる。

素子を高密度渠漬する場合、素子相互間の浮遊４目互イ
ンダクタンス結合による論理信号雑庄の軽減も重要であ
る。カントロンでは磁気２電極相互１…の結合であるか
ら、浮遊結合は素子間距離をＲとして、Ｒに比例してし
か減少しない。パイセクトロンの場合は、主ループのシ
ールド作用により４電極４１４互間の結合となル、Ｒに
比例して減少するので浮遊結合はカントロンより非常に
少ない。このことは直流バイアス磁束についても酢える
。第１．２図のパイセクトロンと第２７図のカントロン
では、各素子の直流バイアス磁束は２電極浮遊磁界（Ｒ
−３に比例）を生成するのに対し、第６．４図のパイセ
クトロンではこれが４電極となり浮遊磁界（Ｒ−４に比
例）は大巾に軽減される。

以上の説明から、超伝導磁束量子論理回路素子としてパ
イセクトロンはカントロンに比較して著しい長所をもっ
ことが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用する基本素子（パイセクトロン）の
原理説明図である。第２．６図はバイアス磁束を与える
外部バイアス型のパイセクトロンを示す。第４図はバイ
アス電流を流す型のパイセクトロンを示す。第５図はス
イッチ信号印加手段を付加したパイセクトロンを示す。 第６〜９図はパイセクトロンのスイッチ部の「渚例であ
って＊　＋’ｌ’ｔ６図は平行型スイッチ、第７図は直
交型スイッチ、第８図は直流５ＱＵＩＤを用いたもの、
第９図は超伝導体薄膜を用いた祇磁波型スイッチの各説
明図である。第１０．１１，１２．１４図は凄救のパイ
セクトロンを超伝導インダクタンス回路網を介して結合
して構成される多教決、１ＩＩＩｉ理回路の請列であっ
て、第１０図は自己インダクタンス回路ｑ４による場合
、第１１図は全てのカントロンを直流的に絶縁した自己
インダクタンス１ｇｌ路へ１劇による１Ｍ合、第１２図
は相互インダクタンス回路網による場合。 第１４図ｔ／ｉ谷パイセクトロンのスイッチ部電流をイ
ンダクタンス回路網で結合する場合をそれぞれ示す。第
１３図は第１２図の論理回路を作成する方法の一例を説
明する斜冴図であろう第１５図は第１０．１１．１２．
１４図の論理回路の否定回路を作成する説明図であって
、いずれも２つのパイセクトロン間の結合極性を逆転し
たインダクタンス回路網で示す。第１６図は第１．２．
４図の非対称的パイセクトロンをインダクタンス回路網
で結合して倫理演算を実行する場合のバイアス磁束の調
整方法の一例を説明するための回路図である。第１７図
は超伝導インダクタンス回路網を用いた場合にパイセク
トロン間の、結合に方向性をもたすことができない場合
の説明図である。第１８図ｉｉ′論理回路の信号伝達に
方向性をもたせる場合の説明図であって、３相のスイッ
チ信号を示す。 第１９図はパイセクトロンの変形態様の説明図でアッテ
、スイッチ部・を相互インダクタンスによって接続する
場合を示す。第２０図は第２図のバイカントロン２個の
バイアス電流回路を直列にした回路図である。第２１図
と第２２図は第３図のパイセクトロン２個の副ループに
流すバイアス電流を直列にして有感応にした回路図を並
列にして不＋ｉ％応にした回路図を示す。第２３図と第
２４図は直流バイアス電流の供給法の説明図である。第
２５図は第８図のスイッチ部のスイッチ１１Ｌ流供給法
の一例を示す説明図である。第２６図はパイセクトロン
の主ループと副ループを２回倦コイルで形成して作、動
エネルギーを減少せしめる・局舎の説明図である。第２
７図は従来の超伝導磁束骨子論理回路素子であるカント
ロンの原理説明図である。 第２８図はパイセクトロンとカントロンの比較説明図で
ある６第２９図はカントロンの問題点の説明図である。 （図中の符号） ＭＬ・・・主ループ、Ｌｌ、ＬＯ・・：副ループ、ＳＷ
・・・超伝導スイツ、チ、Φ１、Φ０・・・副ループ内
に捕えられる磁束量子、ψ０・・・基本磁束量子、１・
・・直流バイアス区流、ＩＭ・・・主ループ電流、１１
．１ｏ・・・副ループ′亀流、　　Ｉｓ・・・スイッチ
部電流、１８・・・副ルーフ電流、Ｌ…インダクタンス
、ｓｓＧ・・・スイッチ信号印加手段、ＳＳ・・・スイ
ッチ信号、Ｊｌ、Ｊ２・・・ジョセフソン接合、ＳＣ・
・・超伝導体特許出願人　　理化学研究所 ｏ　　。 ｅ４ＩｅＩ ８７図 Ｉｓｓ 第９図 （Ｃ） 第１０図 第１１図 −ｋＬ 第１３図 第１４図 第１Ｆ □ ノー′ 一口 （Ａ１０） ４ ｑ−ｍａｊ（Ｙ、ｙ、１り （Ａｌｌ） ４ （Ａ１２） ヨ４ （Ａ１４） ４ 手続補正書 昭和　　φ９・３月１４　日 特許庁長官　　若　杉　和　夫　　殿 １、事件の表示　　昭和５８年特許願第７９７５号２、
発明の名称　　　超伝導磁束量子論理回路３、補正をす
る者 事件との関係　　出願人 名称　（６７９）理化学研究所 ４、代理人 ５、補正命令の日付　　自　　発 ６、補正の対象　　　　明細書の発明の詳細な説明の欄
７、補正の内容 する・ ／コπＬ」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）１つの超伝導主ループ（’ＭＬ）と、この超伝導
   主ループを磁気的に２つの副ループ（Ｌｌ。 ＬＯ）に分割するスイッチ部（ＳＷ）とから成る基本素
   子と： 前記のスイッチ部に、スイッチ信号に応答して超伝導臨
   界電流が低く前記主ループ内の磁束分布を量子化し得な
   い開状朝と超伝導臨界電流が高く主ループ内の磁束分布
   を量子化する閉状態に変化せしめるスイッチ信号印加手
   段；スイッチ開放時に前記各副ループに基本磁束量子（
   Φ０）のはｙ１／２の大きさの磁！（±１／２ΦＯ）を
   通過せしめる磁束バイアス印加手段： 前記の磁束バイアスに重畳して微小な入力磁束を印加す
   る外部入力印加手段を備え。 前記のスイッチ部を閉状態にしたときに前記の２つの副
   ループの基本磁束量子ΦＯの整数倍（０，１％−１）の
   磁束の分布状態を微小制御磁束によって制御して該分布
   状態の差異によって２進論理変数を表わすことを特徴と
   する超伝導磁束量子論理回路。 （２）　　前記のスイッチ部が前記の基本素子の超云導
   主ループを分割する副ループの境界に接続される特許請
   求の範囲第１項に記載の超伝導磁束量子論理回路。 （３）　前記のスイッチ部が前記の基本素子の一方の副
   ループに結合する超伝導磁束変圧器を介して接続される
   特許請求の範囲＄１項に記載の超伝導磁束量子論理回路
   。 （４）　　前記の外部入力印加手段が前記複数個の基本
   素子間の自己インダクタンスと相互インダクタンスから
   成る超伝導インダクタンス回路網によって構成される特
   許請求の範囲第１項に記載の超伝導磁束量子論理回路。 （５）　　前記１つの基本素子の外部入力印加手段が他
   の複数個の基本素子を結合する超伝導インダクタンス回
   路網によって構成され、前記１つの基本素子の外部入力
   磁束が前記複数個の基本素子の論理状態の閾値論理関数
   として与えられる特許請求の範囲第４項に記載の超伝導
   磁束量子論理回路。 （６）　　前記闇値の設定値を前記の直流磁束バイアス
   によって設定する特許請求の範囲第５項に記載の超伝導
   磁束量子論理回路。 （７）　　前記の基本素子相互間を結合する超伝導イン
   ダクタンス回路網の結合極性を逆転することにより否定
   回路を実現する特許請求の範囲第４項に記載の超伝導磁
   束量子論理回路。 （８）　　多数の前記基本素子を少くとも３組以上にグ
   ループ分けし、前記のスイッチ信号印加手段は前記各グ
   ループに順次に循環的に多相のスイッチ信号を印加して
   論理信号を一方向に伝達するようにした特許請求の範囲
   第１項に記載の超伝導磁束量子論理回路。 （９）　　前記のスイッチ部が超伝導体又はジョセフン
   ン接合であり、前記のスイッチ信号印加手段が前記のス
   イッチ部に磁界を印加する特許請求の範囲第１項に記載
   の超伝導磁束量子論理回路。 αＯ前記のスイッチ部は少くとも２個の超伝導体又はジ
   ョセ７ンン接合を並列に接続したも９であり、前記のス
   イッチ信号印加手段が前記の並列接続のスイッチ部を通
   過する磁界を供給する特許請求の範囲第１項に記載の超
   伝導磁束量子論理回路。 ａυ　前記のスイッチ部は超伝導体又はゾヨセフンン接
   合であって、前記のスイッチ信号印加手段が電磁波を照
   射する特許請求の範囲第１項に記載の超伝導磁束量子論
   理回路。 （２）前記の磁束バイアスが前記の基本素子の主ループ
   を循環する永久電流によって与えられる特許請求の範囲
   第１項に記載の超伝導磁束１°子論理回路。 ａｊ　　前記の磁束バイアス印加手段が直流ノ＜イアス
   ミ流（１８）を流すコイルであって、前記の主ループと
   一方の副ループに相互インダクタンスをもって電磁的に
   結合されている特許請求の範囲第１項に記載の超伝導磁
   束１°子論理回路。 Ｑ４　　前記の磁束バイアス印加手段が直流／々イアス
   １１１１１１１１１１１１１１１１１８１　（ｌ　Ｂ　
   ）を流すコイルであって、前記の双方の副ループに相互
   インダクタンスをもって電磁的に結合されている特許請
   求の範囲第１項に記載の超伝導磁束量子論理回路。 α９　前記の磁束バイアス印加手段が直流／々イアス電
   流（１８）を流す２個の電流端子（Ｐ、Ｑ）であって、
   前記の基本素子の主ループを２分する位置にそれぞれ設
   けられている特許請求の範囲第１項に記載の超伝導磁束
   量子論理回路。 （１８前記の磁束／々イアス印加手段が直流ｔ４イアス
   電流（Ｉ８）を複数の基本素子に直列に流す共通のバイ
   アス電流線であって、各基本素子のａｌループ中の磁束
   量子分布が変化したときに創Ｉ言己の・くイアスミ流線
   に誘起電圧が発生しないように構成される特許請求の範
   囲第１３〜１５πｉ　Ｍ己ｔｌＷの超伝導磁束量子論理
   回路。 ■　前記の主ループと２つの副ループを多捲数（０回）
   コイルで形成することにより、所要エネルギーを減少（
   １／ｎ２）　せしめる特許ｎ請求の