JPS59143427A - 超伝導磁束量子論理演算回路 - Google Patents

超伝導磁束量子論理演算回路

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JPS59143427A
JPS59143427A JP58017921A JP1792183A JPS59143427A JP S59143427 A JPS59143427 A JP S59143427A JP 58017921 A JP58017921 A JP 58017921A JP 1792183 A JP1792183 A JP 1792183A JP S59143427 A JPS59143427 A JP S59143427A
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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、ジョセフンン竺子計算機回路等に用いられ、
る高速性に優力、た超伝導磁束量子論理演算回路に関し
、詳しくは一対a個の交流5QUIDとインダクタンス
回路網で構成された磁束駆動・磁束入力・磁束出力をも
つ超伝導磁束量子論理演算回路に関する。
以下添付図面により本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明に使用する交流5QUID (交流超伝
導量子干渉素子又はrf 5QUID  ともいう。)
の回路図とその特性を示す。同図(A)の交流5QUI
Dの回路図において、Jは臨界電流値がJcであるジョ
セフソン接合、Lはインダクタンス、IXは外部電流で
あり、ΦX=L・IXは外部8束と呼ばれジョセフソン
接合を取外したときにインダクタンスLに入る磁束であ
り、Φはジョセフソン接合とインダクタンスがつくるル
ープに存在する磁束(内部磁束)である。Φ0を基本磁
束量子(2X 10−7gauss/ era 2) 
 とし、a=、2πL−J e/Φ0とすると、内部磁
束ψと外部磁束ΦXは第1図(H)に示すような依存関
係にある。a</の場合、ΦとψXの関係は7価関数と
なるが、a>/になるとψとΦXの多価関数となりヒス
テリシス特性を示す。a=π〉/の場合を例示したもの
が第1図(Qであり、外部磁束ΦXが上部臨界外部磁束
値Φpに達すると、内部磁束Φは点Qに飛躍する。
外部磁束ΦXが下部臨界外部磁束値Φn4で下ると、内
部磁束Φ社小さな値に飛躍的に戻る。内部磁束の値を基
本磁束量子ψ0を単位として端数を四捨五入し最も近い
整数値に切上げ切捨てした値をNINT(Φ/Φ0)と
すると、第1図(C)のヒステリシス特性が第7図(D
)のようになる。NINT(Vψo)=/の場合を1点
火状態”、θの場合を1消火状態”と呼び以下説明を続
ける。
先ず、第2図を用いて本発明の論理演算回路の原理を説
明する。2個の交流5QUID 、 SQI とSQ2
は特性のはyそろったジョセフソン接合J1とJ2を有
する。このコ個の交流5QUIDはインダクタンス回路
網DLによりはy等しい駆動磁束ψdが各5QUI D
の外郭磁束として与えられる。コ個の5QUIDは電磁
的に独立ではなく、等価相互インダクタンスMをもって
結合されている。
その結合極性は一方の5QUIDが点火状態になると他
方の5QUIDの点火を抑制する方向にあるものとする
。[@磁束ΦdがSQU I Dの上部臨界外部磁束値
Φpに達すると、2いずれか一方の5QUIDが点火す
るが、他方の5QUIDは上−記した抑制結合(M)の
ため点火しない。ツ個の5QUIDのいずれが点火する
かは、その点火、時に超伝導入力インダクタンス回路網
IL又はIDLによって印加される差別的な微小電流ε
■1又はε■2によって与えられる差別的な微小磁束ε
Φ1.εΦ2によって制御される。微小な制御入力磁束
は差動的なインダクタンス回路網IDLに微小入力電流
ε■3を流し、差動的な微小入力磁束+εΦ3 と−ε
Φ3を各SQ、UIDに写えることによっても同様に制
御することができる。
2個の5QUIDのいずれが点火したかによってコ値論
理信号を表わすのが、本発明の基本回路め原理であり、
そのユ値状態の差異は出力インダクタンス回路網ALに
よって大振幅出力(第2図の例では±Φ0)として取出
される。すなわち、本発明の基本回路は磁束で駆動され
(エネルギー源)、微小磁束入力により大振幅の磁束出
力を得るコ値磁束量子増幅回路を提供するものである。
第3図と第4図は第2図の変形態様を示す。第3図のM
′とALは両5QUIDに共通の電流が流れる部分で、
このために両5QUID−間は電磁的に結合され、一方
が点火すると他方の点火が抑制され第2図と同様な作戸
効果をもつ。
第4図では駆動インダクタンス回路網にインダクタンス
M“を入れて両5QUIDQ間に電磁結合を生じさせ、
一方の5QUIDの点火が他方の5QUIDの点火を抑
制するように構成したものである。第3゜を図とも駆動
電流は5QUIDを構成するインダクタンスに直接流し
ているが電気的には等価である。
又、第3図のM′坑ダ図のM“はいずれも第2図の相互
インダクタンスMと同様な作用効果を有する。
第5図は本発明の基本回路を多数結合して閾値論理関数
回路を実現する一例であって、三入力多数決回路f =
maj(x t ’! + Z )を例示する。FFI
、FF2゜FF3はそれぞれ第3図の基本回路である。
LLはFF’l 、 2 、3の出力インダクタンス回
路網とF’F4の入力インダクタンス回路網とを結合し
て成る論理結合用インダクタンス回路網である。駆動電
流Idlを流1. FFI 、FF2 、FF3をそれ
ぞれス値論理変数X。
y+zを表わす状態になっているものとする。こ\で、
FF4に駆動電流Id2を流すと、FF4のコ値状態f
けXr V + Zの多数決論理関数(閾値論理の特別
の場合)となる。
なお、否定回路は入力磁束信号を印加する超伝導磁束変
圧器(入力インダクタンス回路網の特別な場合に相当)
の捲線極性を反転すればよいので、何ら余分な回路素子
を必要とせず極めて芥易に実現できる。
第5図のような論理回路においては、基本回路が受動線
形回路網であるインダクタンス回路網によって入・出力
磁束が相互に接続されているので、信号伝達の因果関係
に方向性(dない。この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駆動磁束(又は電流)を三相
以上の多相クロック信号発生器から供給すればよい。
第6図に三相のクロック信号を示す。各相の信号は駆動
磁束Φdとして、Φd〉Φp(上部臨界外部磁束値)と
Φd〈ΦR(下部臨界外部磁束値)の間を往復するよう
に与えればよい。
基本回路に用いるジョセフソン接合としてニオブ(Nb
)  のゾリツジ型のものを使用し、第1図のa=π附
近の値を使うと、スイッチ時間は/ピコ秒(70秒)程
度である。そのため、本発明の論理演算回路は/ OG
Hz以上のクロック信号で作動させることも容易である
。この場合、クロック信号の波形としては正弦波以外の
ものは極めて維しい。そのため第6図のクロック信号波
形は直流を重畳した正弦波となっている。
第3図の論理回路において信号伝達に方向性をもたせる
には、第6図の駆動磁束ψd1.Φd2.Φd3を使用
すればよい。
信号伝達に方向性をもせるもう一つの方法として、上部
臨界外部磁束値Φpの潤整によるものがある。その方法
を第S図と第7図を用いて説明する。第S図の駆動磁束
Φdl、Φd2には第7図のクロック磁束Φdを共通に
使用する。FFI 、FF2 、FF3には上部臨界外
部磁束値Φp1よりもFF4の上部臨界外部磁束値Φp
2が第り図に示すように大きくとる。g 7図に示すよ
うに、FF1.2.3のユ値論理値が確定して、それ以
後にFF4の値が必ず遅れて確定される。それ故、信号
伝達の因果関係に方向性を付与することができる。
々お、mA 、7図で示した正弦波クロック信号の振幅
の下限は駆動磁束が上部臨界外部磁束値に達する点であ
るが、上限は第1図のa−πの場合、下限値のり/3倍
寸で計算の結果許容され、横幅に対しては非常に大きい
。これは2個の交流5QUIDを差動的に使用した効果
の一つである。
本発明の論理演算回路は、紹伝導材料としてNl)  
を用い、ジョセフソン接合とインダクタンス回路網を、
既存の5QUIDを製作する技術、例えばリングラフィ
技術やス/4’ツタリング技術を用いて容易に製作する
ことができる。
7個の基本回路を駆動するのに必要々エネルギーは、L
=/θpiとすると(光りソグラフイ技術。
によって容易に製作できる寸法である約70μm角又は
直径約10μmの7回捲線のループ)、E=ψ、/コL
=コ×/θ−18ジュールである。
これを/ OGHzのクロック信号で駆動した場合、所
要の゛電力は/基本回路当シュ×/θ Wである。
上記寸法の基本回路を電子ビームリソグラフィ技術によ
って更、に//10程度に縮小しようとすると、L =
 / pHとなり、所要エネルギーE=Φ、/、、2 
L id / 0倍になるという間頌が生じる。このエ
ネルギーの問題を解決するには、コイルをN回捲にする
とインダクタンスLはN2 倍になり、エネルギーが/
/N2に減少することを利用すればよい。
N−=3の3可撓のコイルを使用すれは工昂ルギーは/
/9となるすなわち、所要エネルギーはコイル線形長に
反比例して増大しコイルの捲数Nの2乗に反比例する事
実に基づき、消エネルギー、消電力比ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(Nは本発明に使用する交流!11tQTJID
の回路図。第7図(Tl) 、 (Q 、■)は交流5
QUIDのヒ負テIJシス特性の説明図。第1図は本発
明の一命理演算回路の原理説明図。第3 、 lI図は
第2図の変形態様を示す。第S図は本発明による閾値論
理関数回路の一例を示す。第6図は本発明の回路を駆重
すするための三相のクロック信号波形の一例を示す。第
7図は本発明の回路の信号伝達に方向性をもたせる方法
の説明図。 図中の符号 L・・・・・・・・・インダクタンス、 Φd、Φdl
、Φd2・・・・・・・・・駆動磁束、 J、Jl、J
2・・・、・・・・・シ”l セフリン接合、 SQ 
、SQI 、 SQ2・・・・・・・・・交流5QUI
D。 Jc・・・・・・・・・臨界電流値、 bq、y、M 
”  ・・・・・・・・・インダクタンス、 Φ・・・
・・・・・・内部磁束、DL・・・・・・・・・入力イ
ンダクタンス回路網、ΦX・・・・・・・・・外部磁束
、 IL、IDL・・・・・・・・・駆動インダクタン
ス回路網、 ΦO・・・・・・・・・基本磁束量子、 
AL・・・・・・・・・出力インダクタンス回路網、 
Φp・・・・・・・・・上部臨界外部磁束値、Id、I
dl、Id2・・・・・・・・・駆動電流、 ΦR・・
・・・・・・・下部臨界外部磁束値、 f=maj (
x + Y * z )・・・・・・・・・多数決論理
関数、 Φa・・・・・・・・・出力磁束、 Id・・
・・・・・・・駆動電流。 特許出願人; 理化学研究所

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (11外部磁束(ψX)と内部磁束(Φ)との間にヒス
    テリシス特性をもち、そのヒステリシス特性において内
    部磁束がはy基本磁束量子(ψ0)だけ不連続的増加が
    起る上部臨界外部磁束値(Φp)のはソそろっている一
    対2個の交流5QUID :駆動磁束なはy均等に前記
    コ個の交流5QUIDに配分する駆動インダクタンス回
    路網(DL) ;一方の交流SQU I Dの内部磁束
    が前記の不連続的増加をしだ場合、他方の交流5QUI
    Dの内部磁束の不連続的増加を抑制するように前記2個
    の交流5QUIDを結合するインダクタンス回路網(M
    ); 微小入力磁束を前記2個の交流5QUIDに差別的或い
    は差動的に印加する入力インダクタンス回路網(IL、
     IDL) ; 前記コ個の交流5QUIDの内部磁束の差を出力磁束と
    して取出す出力インダクタンス回路網(AL)を備え、 前記の駆動磁束が前記の上部臨界外部磁束値(ψp)に
    相当する値までに達したとき、いずれか一方且つ一方の
    みの交流5QUIDが内部磁束の不連続的増加を示し、
    そのいずれが不連続的増加を示すかを前記の微小入力磁
    束によってコ値的に制御して増巾されたコ値的量子磁束
    出力(Φa)を得ることを特徴とする磁束駆動・磁束入
    力磁束出力をもつ磁束増幅装置を基本素子とする超伝導
    磁束量子論理演算回路。 (2)前記のヒステリシス特性において、内部磁束の不
    連続的増加が消失する下部臨界外部磁束値(ΦR)以下
    に低下せしめ前記の2個の交流5QUIDの状態が初期
    値に戻るようにした特許請求の範囲第1項に記載の超伝
    導磁束量子論理演算回路。 (3)  多数の前記基本素子を複数の段階に分けて多
    段接続し、それらの全基本素子を同一の駆動磁束で分配
    駆動し、前段の駆動磁束の上部臨界外部磁束値を後段の
    それよりも小さく選ぶことにより、磁束信号に一方向伝
    達特性をもたせると共に増幅度を高める特許請求の範囲
    第1項に記載の超伝導磁束量子論理演算回路。 (4)前記1つの基本素子の入力磁束が他の初数個の基
    本素子の出力磁束を、複数個の基本素子の出力インダク
    タンス回路網と1つの基本素子の入力インダクタンス回
    路網とを結合して成る論理結合用インダクタンス回路網
    を介して与え、前記1つの基本素子の出力磁束状態が前
    記複数個の基本素子の出力状態の閾値論理関数として決
    まる特許請求の範囲第1項に記載の超伝導磁束量子論理
    演算回路。 (5)多数の前記基本素子を少くとも3組以上のグルー
    プに分け、各グルーfFC順次に循環的に多相の駆動磁
    束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演算回
    路。 (6)前記の交流5QUIDを構成するインダクタンス
    Lのコイルを多数捲(N回)コイルで形成することによ
    り、所要エネルギーを減少(//N ” )せしめる特
    許請求の範囲第1項に記載の超伝導磁束量子論理演算回
    路。
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