特許 6563239 断熱型量子磁束パラメトロン回路及び超伝導論理素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6563239

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】断熱型量子磁束パラメトロン回路及び超伝導論理素子

(51)【国際特許分類】

   H03K 19/195 20060101AFI20190808BHJP

   H01L 39/22 20060101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   H03K19/195

   H01L39/22 K

【請求項の数】14

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2015-81036(P2015-81036)

(22)【出願日】2015年4月10日

(65)【公開番号】特開2016-201697(P2016-201697A)

(43)【公開日】2016年12月1日

【審査請求日】2018年4月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】吉川 信行

(72)【発明者】

【氏名】竹内 尚輝

【審査官】 工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１４−５０４０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２４１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５４１３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３０７８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平６−４４０３３（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｋ１９／１９５

Ｈ０３Ｋ１７／９２

Ｈ０１Ｌ３９／００−３９／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導リングに中心ノードを挟んで二つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、前記超伝導量子干渉素子に磁束を誘起させる電源線と、前記超伝導量子干渉素子の電流を出力する超伝導トランスとを備えた断熱型量子磁束パラメトロン回路であって、
前記超伝導トランスは、それぞれ一次側配線及び二次側配線を有する一対のトランス部を備え、
前記一対のトランス部は、
前記一次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両入力端を前記超伝導量子干渉素子の中心ノードに接続すると共に、前記電源線との磁気結合によって一次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を前記一対の配線の入力端に対して互いに逆方向とし、
前記二次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両出力端を前記断熱型量子磁束パラメトロン回路の出力端に接続すると共に、前記電源線との磁気結合によって二次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を前記一対の配線の出力端に対して互いに逆方向とすることを特徴とする、断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項2】

前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線に対して同一側において前記電源線の方向に沿って平行であり、且つ、
前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向であることを特徴とする、請求項１に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項3】

前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線に対して同一側において前記電源線の方向に沿って平行であり、且つ、
前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線と直交する直線に対して線対称であることを特徴とする、請求項１に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項4】

前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置、及び前記一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、前記電源線を挟んで反対側において点対称であることを特徴とする、請求項１に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項5】

前記超伝導トランスにおいて、
前記一対のトランス部の配置は、前記電源線を挟んで同一側において前記電源線の方向に対して同位置に積層して成り、且つ、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記電源線を含む面に対して対称であることを特徴とする、請求項１に記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項6】

前記二次側配線のインダクタンスは前記一次側配線のインダクタンスよりも大きいことを特徴とする、請求項１から５の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項7】

前記一次側配線と前記二次側配線との対向配置において、
前記二次側配線の配線長が前記一次側配線の配線長よりも長い、前記二次側配線の配線幅が前記一次側配線の配線幅よりも小さい、又は、前記二次側配線の配線長が前記一次側配線の配線長くかつ前記二次側配線の配線幅が前記一次側配線の配線幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１から５の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに、入力端を有する入力線を接続し、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記二次側配線の出力端の電流方向を前記入力端の電流方向とするパターンであり、
前記入力端から入力される入力電流の電流方向と同方向の出力電流を前記二次側配線の出力端から出力するバッファ機能の論理素子を構成することを特徴とする、超伝導論理素子。

【請求項9】

請求項１から７の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに、入力端を有する入力線を接続し、
前記一対のトランス部の配線パターンは、前記二次側配線の出力端の電流方向を前記入力端の電流方向と反対方向とするパターンであり、
前記入力端から入力される入力電流の電流方向と逆方向の出力電流を前記二次側配線の出力端から出力するＮＯＴ機能の論理素子を構成することを特徴とする、超伝導論理素子。

【請求項10】

請求項１から７の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記中心ノードに入力線を非接続とし、
前記超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の構成を中心ノードに対して非対称とし、前記電源線による励起時に、前記二次側配線の出力端から電流を常時出力する定数機能の論理素子を構成することを特徴とする超伝導論理素子。

【請求項11】

前記超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の中心ノードに対する非対称な構成は、
面積を異にする二つのジョセフソン接合を備える構成、及び中心ノードを挟む線路長を異にする超伝導リングを備える構成の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項１０に記載の超伝導論理素子。

【請求項12】

請求項１から７の何れか一つに記載の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、
前記超伝導トランスは、一対のトランス部の二次側配線の配線長及び配線幅の少なくとも一方を異ならせた非対称な構成とし、前記電源線による励起時に電流を常時出力する定数機能の論理素子を構成することを特徴とする超伝導論理素子。

【請求項13】

前記請求項８から１２の何れか一つに記載の超伝導論理素子間を接続する超伝導論理素子であって、
二本の配線からなる配線部を複数個備え、
前記配線部は、複数個の配線部の一方を接続し、
各配線部において、二つの配線は各端部を接続し、両接続端の一方を入力端とし他方を出力端とし、
電源線の電流によって誘起される両配線の電流の向きを二つの配線の結合部に対して逆方向とすることを特徴とする超伝導論理素子。

【請求項14】

前記複数個の配線部の各配線長は等しいことを特徴とする、請求項１３に記載の超伝導論理素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、断熱型量子磁束パラメトロン回路（ＡＱＦＰ回路）及び超伝導論理素子に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導集積回路では、磁束量子を情報の媒体として用い、論理演算や記憶等の信号処理が低消費電力でかつ高速で行われる。超伝導集積回路において、配線には直流抵抗がゼロの超伝導配線が用いられ、論理回路を構成するスイッチ素子としてジョセフソン接合が用いられる。

【0003】

超伝導集積回路として、超伝導を用いた単一磁束量子回路（ＳＦＱ回路）や、断熱型磁束量子パラメトロン回路（ＡＱＦＰ回路）が知られている。超伝導集積回路は、例えば、超伝導集積回路によってプロセッサやＤＳＰなどのディジタル集積回路の他、超伝導集積回路によってＡ／Ｄコンバータ回路やＤ／Ａコンバータ回路や電圧標準回路などのミックスドシグナル集積回路等を構成することができる。

【0004】

断熱型量子磁束パラメトロン回路は、出力信号を伝搬する構成として超伝導トランスを備えている。

【0005】

断熱型量子磁束パラメトロン回路は、回路内の電源線と信号線との間や電源線と超伝導トランスとの間の浮遊的な磁気結合によって誤動作し、論理動作が不安定となるという問題があることが知られている。

【0006】

図１３は従来の断熱型量子磁束パラメトロン回路の構成例を説明するための図であり、図１３（ａ），（ｂ）は概略構成を示し、図１３（ａ）は超伝導トランスにおいて一次側インダクタンスと二次側インダクタンスが重なった状態を示し、図１３（ｂ）は説明のために二次側インダクタンスを分離した状態で示している。図１３（ｃ）は等価回路を示している。

【0007】

断熱型量子磁束パラメトロン回路１０１は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１０２と電源線１０３と超伝導トランス１０４とから構成される。超伝導量子干渉素子１０２は、中心ノード１０２ｃを挟んで超伝導リング１０２ｄに二つのジョセフソン接合１０２ａ，１０２ｂ（Ｊ１，Ｊ２）を備え、電源線１０３により誘起された磁束が加えられる。

【0008】

超伝導量子干渉素子１０２は、入力信号Ｉinに応じて論理状態を決定すると共に電流増幅する。超伝導トランス１０４は、一次側配線１０４ａと二次側配線１０４ｂとを備え、超伝導量子干渉素子１０２の出力を出力端１０４ｃから出力信号Ｉoutとして出力する。

【0009】

電源線１０３の励起電流（バイアス電流）Ｉxにより誘起された磁束は超伝導トランス１０４の一次側インダクタンスＬq及び二次側インダクタンスＬoutと交差して浮遊的な磁気結合が行われ、電源線１０３のインダクタンスＬxと一次側インダクタンスＬqとの間は結合係数Ｋxqで磁気結合され、電源線１０３のインダクタンスＬxと二次側インダクタンスＬoutとの間は結合係数Ｋxoutで磁気結合される。この電源線１０３と超伝導トランス１０４との間の浮遊的磁気結合は、断熱型量子磁束パラメトロン回路１０１が誤動作する要因となる。図１３（ｃ）において、破線で示した結合係数Ｋxq及びＫxoutは電源線１０３と超伝導トランス１０４との間の浮遊的磁気結合を表している。

【0010】

本願発明の発明者は、この浮遊的磁気結合による論理動作の不安定性の課題を解決するために、超伝導トランスに超伝導シールドを設ける構成を提案している（非特許文献１）。

【0011】

図１４は超伝導シールドを設けた断熱型量子磁束パラメトロン回路を説明するための図である。図１４（ａ）は概略構成を示し、図１４（ｂ）はグランドプレン上に設けた超伝導トランスと超伝導シールドのレイヤー状態を示し、図１４（ｃ）は回路構成を示している。超伝導シールド１１０を超伝導トランス１０４の上部を覆うように設け、超伝導トランス１０４と電源線１０３との間の磁気結合を遮断する。

【0012】

超伝導トランス１０４に超伝導シールド１１０を設けることによって、電源線１０３のインダクタンスＬxと超伝導トランス１０４の一次側インダクタンスＬqとの間の結合係数Ｋxq、及び電源線１０３のインダクタンスＬxと超伝導トランス１０４の二次側インダクタンスＬoutとの間の結合係数Ｋxoutは抑制される。図１４（ｂ）は、結合係数Ｋxq及び結合係数Ｋxoutの磁気結合が抑制された状態を示し、図１３（ｃ）で示した破線の浮遊的磁気結合は解消される。

【0013】

超伝導シールド１１０は、結合係数Ｋxq及び結合係数Ｋxoutの磁気結合を抑制すると共に、超伝導トランス１０４において一次側インダクタンスＬqと二次側インダクタンスＬoutとの間の結合係数Ｋoutを低減する。この結合係数Ｋoutの低減は、超伝導トランス１０４の出力レベルを低下させる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】"Design and demonstration of adiabatic quantum-flux-parameter on logic circuits with superconductor magnetic shields" Kenta Inoue, Naoki Takeuchi, Tatsuya Narama, Yuki Yamanashi, Nobuyuki Yoshikawa Superconductor Science and Technology 28(2015) 045020 IOP Publishing

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

超伝導トランスに超伝導シールドを設ける構成は、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合を抑制することができるものの、超伝導シールドによって一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとの間の結合係数を小さくして磁気結合を低減させる。この磁気結合の低下は、断熱型量子磁束パラメトロン回路の出力レベルの低下を招くため、断熱型量子磁束パラメトロン回路の論理動作が不安定となって動作余裕度が低下したり、十分な出力レベルが得られないことから配線長を長くすることができないといった問題がある。

【0016】

そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、超伝導トランスの一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとの間の結合係数を低下させることなく、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合による影響を抑制することを目的とする。

【0017】

また、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な磁気結合を抑制し、安定した論理動作に十分な出力レベルとして、断熱型量子磁束パラメトロン回路の動作余裕度の低下や配線長の制限を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本願発明は、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導トランスを一対のトランス部で構成し、一対のトランス部の配置およびトランス部の配線パターンによって、電源線との浮遊的磁気結合によって二つのトランス部に生じる電流の向きを二つのトランス部の結合部に対して逆方向とし、電源線との浮遊的磁気結合によって生じた電流を結合部で相殺させ、これによって、断熱型量子磁束パラメトロン回路内において電源線と超伝導トランスとの浮遊的磁気結合を実質的に無くし、浮遊的磁気結合によって断熱型量子磁束パラメトロン回路の論理動作が誤動作することを解消する。

【0019】

本願発明の超伝導トランスにおいて、電源線との浮遊的磁気結合によって一対のトランス部に流れる電流を互いに逆方向とする構成は、超伝導トランスの一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとの間の結合係数に影響を与えないため、超伝導トランスの一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとの間の結合係数が低下して、出力レベルが低下することはない。

【0020】

本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路は、超伝導リングに中心ノードを挟んで二つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、超伝導量子干渉素子に磁束を誘起させる電源線と、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の電流を出力する超伝導トランスとを備える。

【0021】

本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）によって入力電流を電流増幅し、超伝導トランスによって次段の超伝導論理素子に信号を伝搬する。

【0022】

超伝導トランスは、それぞれ一次側配線及び二次側配線を有する一対のトランス部を備える。一対のトランス部において、一次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両入力端を超伝導量子干渉素子の中心ノードに接続すると共に、電源線との磁気結合によって一次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を一対の配線の入力端に対して互いに逆方向とする。また、二次側配線の一対の配線は、当該一対の配線の両出力端を断熱型量子磁束パラメトロン回路の出力端に接続すると共に、電源線との磁気結合によって二次側配線の一対の配線に誘導される電流の方向を一対の配線の出力端に対して互いに逆方向とする。

【0023】

一対のトランス部の両配線には電源線の励起電流によって誘起された磁束が印加されるが、磁束によって一対のトランス部の各配線に誘導される電流の方向を、配線が結合する結合部に対して互いに逆方向とすることによって両電流を相殺させる。これによって、断熱型量子磁束パラメトロン回路内において電源線と超伝導トランスとの浮遊的磁気結合を実質的に無くし、浮遊的磁気結合によって断熱型量子磁束パラメトロン回路の論理動作が誤動作することを解消する。

【0024】

（超伝導トランスの構成）
本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路において、超伝導トランスは、一対のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンによって複数の形態で構成することができる。

【0025】

超伝導トランスの第１の構成：
超伝導トランスの第１の構成において、一対のトランス部の配置は、電源線に対して同一側において電源線の方向に沿って平行であり、且つ、一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向である。これによって、一対のトランス部の各配線に誘導される電流の方向を、配線が結合する結合部に対して互いに逆方向とする。

【0026】

また、トランス部の配線パターンにおいて、一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンを電源線と直交する直線に対して線対称とする。

【0027】

一対のトランス部は、電源線に対して同一側に電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向とする構成としておいて電源線の方向に沿って平行に配置されるため、電源線の励起電流によって誘起される磁束の方向は同方向となる。また、一対のトランス部の配線パターンは、電源線との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向であるため、同方向の磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は電流の結合部に対して互いに逆方向となり、一次側配線の入力端の結合部及び二次側配線の出力端の結合部では互いに逆方向で入力した電流が相殺される。

【0028】

超伝導トランスの第２の構成：
超伝導トランスの第２の構成において、一対のトランス部の配置、及び一対のトランス部の一次側配線及び二次側配線の配線パターンは、電源線を挟んで反対側において点対称である。

【0029】

一対のトランス部は、電源線を挟んで反対側において電源線を挟んで反対側に点対照の位置に配置されるため、電源線の励起電流によって誘起される磁束の方向は同方向となる。また、一対のトランス部の配線パターンは電源線を挟んで反対側において電源線を挟んで反対側に点対照であるため、同方向の磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は電流の結合部に対して互いに逆方向となり、一次側配線の入力端の結合部及び二次側配線の出力端の結合部では互いに逆方向で入力した電流が相殺される。

【0030】

超伝導トランスの第３の構成：
超伝導トランスの第３の構成において、一対のトランス部の配置は、電源線を挟んで同一側において電源線の方向に対して同位置に積層して成り、且つ、一対のトランス部の配線パターンは、電源線を含む面に対して左右反転の関係にある。

【0031】

一対のトランス部は、電源線を挟んで同一側において電源線の方向において同位置に積層して配置されるため、電源線の励起電流によって誘起される磁束は逆方向となる。また、一対のトランス部の配線パターンは電源線を含む面に対して対称であるため、逆方向に誘起された磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は電流の結合部に対して互いに逆方向となり、一次側配線の入力端の結合部及び二次側配線の出力端の結合部は互いに逆方向で入力した電流が相殺される。

【0032】

上記した第１の構成、第２の構成、及び第３の構成によって、一対のトランス部の配置及びトランス部の配線パターンの配置を設定することによって、電源線の励起電流によって誘起される磁束の方向を、一対のトランス部の両配線の結合部に対して電流方向を互いに逆方向とすることができ、これによって浮遊的磁気結合によってトランス部に流れる電流を相殺することができる。

【0033】

上記した各構成の超伝導トランスにおいて、二次側配線のインダクタンスを一次側配線のインダクタンスよりも大きい構成とする。二次側配線のインダクタンスを一次側配線のインダクタンスより大きくする構成は、一次側配線と前記二次側配線との対向配置において、二次側配線の配線長を一次側配線の配線長よりも長く、及び／又は、二次側配線の配線幅を一次側配線の配線幅よりも小さくすることで形成することができる。

【0034】

二次側トランスについて上記構成とすることによって、超伝導トランスの一次側インダクタンスに対する二次側インダクタンスの比率を大きく設定することによって、断熱型量子磁束パラメトロン回路の入力端に戻るバックアクション電流を低減させ、断熱型量子磁束パラメトロン回路の出力端から出力される出力レベルを高めることができる。

【0035】

（断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いた超伝導論理素子の形態）
本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いることによって複数種類の超伝導論理素子を構成することができる。

【0036】

超伝導論理素子の第１の形態：
超伝導論理素子の第１の形態は、バッファの機能を奏する形態である。バッファ論理素子は、中心ノードに入力線を接続し、一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から入力端の電流方向と同方向の電流を出力するように構成する。この構成により、入力線の電流方向と同方向の電流を出力するバッファ機能を奏することができる。

【0037】

超伝導論理素子の第２の形態：
超伝導論理素子の第２の形態は、ＮＯＴの機能を奏する形態である。ＮＯＴ論理素子は、中心ノードに入力線を接続し、一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から入力線の電流方向と反対方向の電流を出力するように構成する。この構成により、入力線の電流方向と逆方向の電流を出力するＮＯＴ機能を奏することができる。

【0038】

超伝導論理素子の第３の形態：
超伝導論理素子の第３の形態は、定数の機能を奏する形態である。定数論理素子は、中心ノードに入力線を非接続とし、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の構成を中心ノードに対して非対称な構成、及び／又は超伝導トランスを非対称な構成とすることで形成することができる。この構成により、電源線に励起電流を印加した励起時において、常に一定方向の電流を出力する定数機能を奏することができる。

【0039】

超伝導論理素子の第４の形態：
超伝導論理素子の第４の形態は、前記した第１〜第３の超伝導論理素子で示したバッファ論理素子、ＮＯＴ論理素子、定数論理素子等の間を接続するブランチ機能を奏する形態である。ブランチ論理素子は、複数入力に対して多数決論理を出力する機能、あるいは一入力を複数の出力に分割する機構を奏する。ブランチ論理素子は二本の配線からなる配線部を複数個備え、これら複数個の配線部の一方を接続する。各配線部において、二つの配線は各端部を接続し、両接続端の一方を入力端とし他方を出力端とする。二つの配線は、電源線の電流によって誘起される両配線の電流の向きを二つの配線の結合部に対して逆方向とし、電源線の電流によって両配線に誘起される電流を互いに相殺させる。

【0040】

また、複数個の配線部のそれぞれの配線長を等しくすることによって、ブランチ論理素子内の各配線部のインダクタンスを一致させ、各配線部を流れる信号電流の大きさを揃えることができる。各素子からの信号レベルを合わせることによって多数決論理が可能となる。

【0041】

超伝導論理素子は、超伝導論理素子間の接続において、複数の超伝導論理素子の信号を入力し、多数決の論理状態を出力するＭＡＪ機能やＮＡＮＤの機能を有した論理回路を構成する他、一入力信号を分割するＳＰＬの機能を有した論理回路を構成することができる。

【発明の効果】

【0042】

以上説明したように、本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路によれば、超伝導トランスの一次側インダクタンスと二次側インダクタンスとの間の結合係数を低下させることなく、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合による影響を抑制することができる。

【0043】

また、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な磁気結合を抑制し、安定した論理動作に十分な出力レベルとして、断熱型量子磁束パラメトロン回路の動作余裕度の低下や配線長の制限を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の概略構成を説明するための概略図である。

【図2】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の電流状態を説明するための概略図である。

【図3】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第１の構成のトランス部の配置を説明するための概略図である。

【図4】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第１の構成のトランス部の配線パターンを説明するための概略図である。

【図5】超伝導トランスの最適化を説明するための図である。

【図6】出力電流のシミュレーション結果を説明するための図である。

【図7】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第２の構成を説明するための図である。

【図8】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第３の構成を説明するための図である。

【図9】ＮＯＴの機能を備える超伝導論理素子の構成例を説明するための図である。

【図10】定数の機能を備える超伝導論理素子の構成例を説明するための図である。

【図11】ブランチの機能を備える超伝導論理素子の構成例を説明するための図である。

【図12】本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いた超伝導論理素子の構成例を説明するための図である。

【図13】従来の断熱型量子磁束パラメトロン回路の構成例を説明するための図である。

【図14】超伝導シールドを設けた断熱型量子磁束パラメトロン回路を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１，２を用いて本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の概略構成を説明し、図３，４を用いて本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第１の構成について説明し、図５を用いて超伝導トランスの最適化を説明し、図６を用いて出力電流のシミュレーション結果を説明し、図７を用いて断熱型量子磁束パラメトロン回路の第２の構成について説明し、図８を用いて本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の第３の構成について説明し、図９〜図１２を用いて本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いた超伝導論理素子について説明する。

【0046】

［断熱型量子磁束パラメトロン回路の概略構成］
図１は本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の概略構成を説明するための等価回路である。なお、図１に示す等価回路は、バッファの超伝導論理素子を構成する断熱型量子磁束パラメトロン回路の例を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）において電源線とトランス部の配線との間の磁気結合が抑制された状態を示している。また、図２は本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の電流状態を説明するための図である。

【0047】

断熱型量子磁束パラメトロン回路１は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２と電源線３と超伝導トランス４とを備える。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は、中心ノード２ｃを挟んで超伝導リング２ｄに二つのジョセフソン接合２ａ，２ｂ（Ｊ1,Ｊ2）を備える。電源線３は励起電流Ｉｘによって誘導された磁束を超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２に印加する。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は、電源線３の励起電流Ｉｘを印加したときに、断熱型量子磁束パラメトロン回路１の入力端１ａから入力された入力信号Ｉinに応じて論理状態を決定し、論理状態に応じた電流方向の出力信号Ｉoutを出力する。

【0048】

電源線３に励起電流Ｉxが流れると、電源線３のインダクタンスＬxと超伝導リング２ｄのインダクタンスＬ1，Ｌ2との間の磁気結合によって、入力端１ａから入力される入力信号Ｉinに応じて出力信号Ｉoutが出力される。ここで、電源線３のインダクタンスＬxと超伝導リング２ｄのインダクタンスＬ1、Ｌ2との間の結合係数はそれぞれＫ1，Ｋ2としている。

【0049】

超伝導トランス４は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の信号を入力端４inから入力し、トランスを介して出力端４outから出力する。超伝導トランス４は一対のトランス部４Ａ，４Ｂを備える。

【0050】

トランス部４Ａは、一次側配線４Ａａと二次側配線４Ａｂとを備え、一次側インダクタンスＬq1と二次側インダクタンスＬout1との間は結合係数Ｋout1で磁気結合されている。一方、トランス部４Ｂは、一次側配線４Ｂａと二次側配線４Ｂｂとを備え、一次側インダクタンスＬq2と二次側インダクタンスＬout2との間は結合係数Ｋout2で磁気結合されている。

【0051】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、一次側インダクタンスの入力端４inにおいて、一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとを接続すると共に中心ノード２ｃに接続する。また、二次側配線の出力端４outにおいて、二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂとを接続すると共に断熱型量子磁束パラメトロン回路１の出力端１ｂに接続する。

【0052】

トランス部４Ａの一次側配線４Ａａ，二次側配線４Ａｂ、及びトランス部４Ｂの一次側配線４Ｂａ，二次側配線４Ｂｂは、電源線３の励起電流Ｉｘが誘起する磁束によって電流が生じる。トランス部４Ａ，４Ｂの配線に生じる各電流の方向は、各配線の結合部に対して互いに逆方向とする。電流を互いに逆方向とするために、一次側配線４Ａａ及び４Ａｂの各電流は入力端４inに対して逆方向となり、二次側配線４Ａｂ及び４Ｂｂの各電流は出力端４outに対して逆方向となるように配置する。

【0053】

図１（ａ）の等価回路において、電源線３のインダクタンスＬxとトランス部４Ａの一次側配線４Ａａ及び二次側配線４Ａｂとの間の浮遊的な磁気結合は、それぞれ結合係数Ｋxq1及び結合係数Ｋxout1で表され、同様に、電源線３のインダクタンスＬxとトランス部４Ｂの一次側配線４Ｂａ及び二次側配線４Ｂｂとの間の浮遊的な磁気結合は、それぞれ結合係数Ｋxq2及び結合係数Ｋxout2で表される。

【0054】

この構成において、トランス部４Ａの一次側配線４Ａａ，二次側配線４Ａｂ、及びトランス部４Ｂの一次側配線４Ｂａ，二次側配線４Ｂｂを、電源線３の励起電流が誘起する磁束の方向に対してトランス部４Ａ，４Ｂの配線の電流方向がトランス部４Ａとトランス部４Ｂとの間で互いに逆方向となるように配置することによって、浮遊的磁気結合によって各配線を誘導される電流の方向は、トランス部４Ａとトランス部４Ｂとの間で、各配線の結合部である入力端又は出力端に対して互いに逆方向となる。したがって、一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂｂを流れる電流の内、電源線の電流によって誘起される電流分は互いに相殺される。また、二次側配線４Ｂａと二次側配線４Ｂｂを流れる電流についても電源線の電流によって誘起される電流分は互いに相殺される。

【0055】

電源線との間の浮遊的磁気結合によって一次側配線及び二次側配線に誘起される電流は一対のトランス部の電流方向を電流の結合部に対して逆方向とすることによって互いに相殺されることから、電源線３のインダクタンスＬxとトランス部４Ａの一次側配線４Ａａ及び二次側配線４Ａｂとの間の浮遊的磁気結合、及び電源線３のインダクタンスＬxとトランス部４Ｂの一次側配線４Ｂａ及び二次側配線４Ｂｂとの間の浮遊的磁気結合は、実質的に抑制されたものと扱うことができる。図１（ｂ）は浮遊的な磁気結合が実質的に抑制された状態を等価回路で表している。

【0056】

図１（ａ），（ｂ）の等価回路で示される断熱型量子磁束パラメトロン回路１において、断熱型量子磁束パラメトロン回路１の入力端１ａに入力信号Ｉinが初期状態として加えられた状態において、電源線３に励起電流Ｉxが供給されると、断熱型量子磁束パラメトロン回路のポテンシャルの形状が変化し、論理素子の最終状態は一方のジョセフソン接合がスイッチした状態（「０」状態）、もしくは他方のジョセフソン接合がスイッチした状態（「１」状態）の何れか一方に遷移する。これによって、ジョセフソン接合のスイッチングで増幅された電流が一次側配線４ａに流れる。

【0057】

超伝導トランス４において、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２から入力端４inを通して一次側配線４ａに電流が流れると、一次側配線４ａと二次側配線４ｂとの相互インダクタンスによって二次側配線４ｂに出力電流が誘導される。

【0058】

二次側配線４Ａｂ及び二次側配線４Ｂｂには、電流の結合部に対して互いに逆方向の電流が流れる構成であるため出力端４outにおいて両電流は互いに相殺され、二次側配線４ｂと電源線３との間の浮遊的な磁気結合による相互インダクタンスの結合係数Ｋxoutは実質的に抑制された状態と見なすことができ、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合による影響は抑制される。二次側配線４Ａｂ及び二次側配線４Ｂｂに誘導された電流は出力端４outを通った後、断熱型量子磁束パラメトロン回路１の出力端１ｂから出力信号Ｉoutとして出力される。

【0059】

図２は断熱型量子磁束パラメトロン回路中の超伝導トランス４における電流を説明するための図である。

【0060】

超伝導トランス４には、電源線３の励起電流Ｉｘで誘起される磁束によって流れる電流分ＩA，ＩBと、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力に基づいて流れる電流分ＩC、ＩDとが流れる。

【0061】

図２（ａ）は、電源線３の励起電流Ｉｘで誘起される磁束によって流れる電流分ＩA，ＩB（図２（ａ）中の矢印）を示している。

【0062】

電流分ＩAは電源線３と超伝導トランス４の一次側配線４Ａａ、４Ｂａとの間の浮遊的磁気結合によって流れ、電流分ＩBは電源線３と超伝導トランス４の二次側配線４Ａｂ、４Ｂｂとの間の浮遊的磁気結合によって流れる。電流分ＩAは、一次側配線４Ａａ及び４Ｂａの結合部である入力端４inに対して電流が逆方向であるため、入力端４inにおいて相殺される。

【0063】

電流分ＩBは、二次側配線４Ａｂ及び４Ｂｂの結合部である出力端４outに対して電流が逆方向であるため、出力端４outにおいて相殺される。

【0064】

したがって、一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとには、電源線の電流によって誘起される電流は互いに電流の結合部に対して逆方向に流れる構成であるため入力端４inにおいて両電流は互いに相殺され、一次側配線４Ａａ，４Ｂａと電源線３との間の浮遊的な磁気結合による相互インダクタンスの結合係数Ｋxqは実質的に抑制された状態と見なすことができ、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合による影響は抑制される。

【0065】

また、一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａと同様に、二次側配線４Ａｂ及び４Ｂｂにおいても電源線の電流によって誘起される電流は互いに電流の結合部に対して逆方向に流れる構成であるため出力端４outにおいて両電流は互いに相殺され、二次側配線４Ａｂ，４Ｂｂと電源線３との間の浮遊的な磁気結合による相互インダクタンスの結合係数Ｋxoutは実質的に抑制された状態と見なすことができ、断熱型量子磁束パラメトロン回路内の不要な浮遊的磁気結合による影響は抑制される。

【0066】

図２（ｂ）は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力に基づいて流れる電流分ＩC、ＩD（図２（ｂ）中の矢印）を示している。

【0067】

電流分ＩCは超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力信号が入力端４inを介して流れ、電流分ＩDは一次側配線４Ａａ及び４Ｂａと二次側配線４Ａｂ及び４Ｂｂとの間に磁気結合によって流れる。電流分ＩCは、入力端４inで一次側配線４Ａａ及び４Ｂａに分割され、電流分ＩDは、二次側配線４Ａｂ及び４Ｂｂの結合部である出力端４outにおいて合流し、断熱型量子磁束パラメトロン回路１の出力端１ｂから出力信号Ｉoutとして出力される。

【0068】

以下、図１の等価回路で表される断熱型量子磁束パラメトロン回路の構成例について説明する。以下、第１，２，３の構成例は、超伝導トランスの一対のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンによる構成例を示している。なお、以下の説明では、超伝導トランスの構成としてバッファ論理素子１０の構成例を用いている。

【0069】

（超伝導トランスの第１の構成）
超伝導トランスの第１の構成について図３，４を用いて説明する。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１の構成のトランス部の配置を説明するための概略図であり、図４（ａ），（ｂ）はトランス部の配線パターンを説明するための概略図である。

【0070】

図３（ａ），図３（ｂ），及び図３（ｃ）は、それぞれ異なる視点から見た状態を示している。図３において、断熱型量子磁束パラメトロン回路１は、電源線３と、電源線３に沿って配置された超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２と、超伝導トランス４とを備え、超伝導トランス４を介して超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力信号を出力する。なお、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は中心ノード２ｃを挟んで超伝導リング２ｄに二つのジョセフソン接合２ａ，２ｂを設けて構成されている。断熱型量子磁束パラメトロン回路１はグランドプレンＧ上に形成され、電源線３によって誘起される磁束はグランドプレンＧに沿って形成される。

【0071】

第１の構成例の超伝導トランス４は、一対のトランス部４Ａ，４Ｂを電源線３に対して同一側において電源線３の方向に沿って平行に配置する。一対のトランス部４Ａ，４Ｂの一次側配線４Ａａ、４Ｂａ、及び二次側配線４Ａｂ，４Ｂｂの配線パターンは、電源線３と直交する直線に対して線対称とすることで、電源線３との磁気結合によって一次側配線４Ａａ、４Ｂａ、及び二次側配線４Ａｂ，４Ｂｂに誘起される電流の方向を各配線の結合部に対して互いに逆方向となるように配置する。

【0072】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、電源線３に対して同一側において電源線３の方向に沿って平行に配置されるため、電源線３の励起電流によって同方向の磁束が各トランス部４Ａ，４Ｂに印加される。一方、一対のトランス部４Ａ，４Ｂの配線パターンは電源線３との磁気結合によって誘起される磁束の方向に対して互いに逆方向であるため、配線に生じる電流の方向は配線の結合部に対して互いに逆方向となり、超伝導トランスの出力電流に対する影響，及び超伝導量子干渉素子内のジョセフソン接合に対する影響は相殺される。

【0073】

図４（ａ）は一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）と二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）とが積層した状態を示し、図４（ｂ）は構成を説明するために、二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）を一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）から分離して示している。

【0074】

図４において、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２はジョセフソン接合２ａ，２ｂの端部を接地することによって超伝導リング２ｄを形成している。

【0075】

図４（ｂ）において、超伝導トランス４を構成する一次側配線４ａ及び４ｂにおいて、一次側配線４ａを構成する一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとは、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分ＩA（図中の破線で示す）は各配線の結合部Ｑに対して互いに逆方向である。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂとについても、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分IB（図中の破線で示す）は各配線の結合部Ｒに対して互いに逆方向である。

【0076】

一方、一次側配線４ａにおいて、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１０２の出力による一次電流Ｉqは結合部Ｑにおいて二分され、電流分ＩC（図中の実線で示す）が一次側配線４Ａａ及び一次側配線４Ｂａに流れる。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂでは、一次側配線４Ａａ及び一次側配線４Ｂａとの相互磁気結合によって電流分ＩDが流れ、二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂの結合部Ｒで合流し、出力信号Ｉoutを出力する。

【0077】

図５を用いて超伝導トランスの最適化について説明する。
断熱型量子磁束パラメトロン回路は、論理素子を断熱的に動作させている。断熱的動作は、ジョセフソン接合の超伝導位相をゆっくりと断熱変化させることで低消費エネルギー化を可能としている。

【0078】

論理素子を断熱的に動作させるには、超伝導トランスの一次側インダクタンスＬqを小さくしなければならない。一方、超伝導トランスの出力信号Ｉoutを大きくするには相互インダクタンスＭ（＝Ｋout×（Ｌｑ×Ｌout）^１／２）を大きくする必要がある。

【0079】

したがって、超伝導トランスの一次側インダクタンスＬqを小さくすると共に、相互インダクタンスＭを大きくするには、二次側インダクタンスＬoutを大きくする必要がある。

【0080】

また、断熱型量子磁束パラメトロン回路は、出力端から出力信号を出力すると共に入力端から逆流電流Ｉrを出力する。この逆流電流Ｉrの大きさは二次側インダクタンスＬoutと一次側インダクタンスＬqとの比率に依存する。逆流電流Ｉrを抑えると共に出力信号Ｉoutを増大させるには、Ｌout／Ｌqを大きくすることが求められる。

【0081】

本願発明の超伝導トランスは、二次側配線４Ａｂ、４Ｂｂの配線パターンにおいて、配線長を長くする構成や配線幅を小さくする構成によって二次側インダクタンスＬoutを大きくし、断熱型量子磁束パラメトロン回路を断熱的に動作させて低消費エネルギーでスイッチング動作させ、大きな出力信号を得ることができる。

【0082】

二次側インダクタンスは、二次側配線の配線長を長くすることや、配線幅を小さくすることで大きくすることができる。二次側配線の配線長は、配線パターンをスパイラル状とすることで長くすることができる。

【0083】

図６は出力電流のシミュレーション結果について、本願発明の構成と超伝導シールドを設けた従来の構成とを比較して示している。図６において、超伝導トランスのトランス部を対称配置した本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路と、超伝導トランスを超伝導シールドで磁気シールドした従来構成の断熱型量子磁束パラメトロン回路とについて、出力信号Ｉoutを比較して示している。

【0084】

従来の超伝導シールドによる断熱型量子磁束パラメトロン回路の構成では、一次側配線と二次側配線の結合係数Ｋoutは0.29であり、一次側インダクタンスＬqに対する二次側インダクタンスＬoutとの比率Ｌout／Ｌqは0.9である。これに対して、本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路の構成では、一次側配線と二次側配線の結合係数Ｋoutは0.45であり、一次側インダクタンスＬqに対する二次側インダクタンスＬoutとの比率Ｌout／Ｌqは3.5である。なお、横軸は素子間の配線インダクタンスＬwireを示している。

【0085】

このシミュレーション結果は、超伝導シールドを除去することによって、結合係数Ｋoutが向上することを示している。

【0086】

また、二次側配線の配線パターンをスパイラル形状として配線長を伸ばすことによって、比率Ｌout／Ｌqが高まることを示している。

【0087】

（超伝導トランスの第２の構成）
超伝導トランスの第２の構成について図７を用いて説明する。図７は第２の構成のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンを説明するための概略図であり、図７（ａ）図７（ｂ）、及び図７（ｃ）はそれぞれ異なる視点から見た状態を示している。図７（ｃ）は上方から見た状態を示している。なお、図７ではグランドプレンは図示していないが、図３に示した第１の構成と同様に、断熱型量子磁束パラメトロン回路の下方にグランドプレンを設ける。

【0088】

図７において、第１の構成と同様に、断熱型量子磁束パラメトロン回路１は、電源線３と、電源線３に沿って配置された超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２と、超伝導トランス４を備える。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は中心ノード２ｃを挟んで超伝導リング２ｄに二つのジョセフソン接合２ａ，２ｂを備え、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力信号を超伝導トランス４によって伝搬する。

【0089】

第２の構成例の超伝導トランス４は、一対のトランス部４Ａ，４Ｂを、電源線３を挟んで反対側において電源線３の方向に対して反対側に配置する。一対のトランス部４Ａ，４Ｂの一次側配線４Ａａ、４Ｂａ、及び二次側配線４Ａｂ，４Ｂｂの配線パターンは、電源線３を挟んで反対側において点対称に形成する。

【0090】

ここで、点対称な配線パターンとは、電源線３の下方又は上方の面において、電源線３上の点から垂直に下ろした点Ｐに対して点対称な位置関係にあることを意味している。

【0091】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、電源線３を挟んで反対側において点対称な位置に配置されるため、電源線３の励起電流で誘起される磁束は同方向に印加される。

【0092】

図７では、一対のトランス部４Ａ，４Ｂの配線パターンは電源線３に対して互いに点対称であるため、同方向に印加された磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は二つのトランス部４Ａ，４Ｂの結合部Ｐに対して互いに逆方向となり、電源線３の励起電流Ｉxによってトランス部４Ａ及びトランス部４Ｂにそれぞれ誘起される電流は互いに相殺される。

【0093】

（超伝導トランスの第３の構成）
超伝導トランスの第３の構成について図８を用いて説明する。図８は第３の構成のトランス部の配置、及びトランス部の配線パターンを説明するための概略図であり、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図８（ｃ）は異なる視点から見た状態を示している。図８（ｃ）は上方から見た状態を示している。

【0094】

図８において、第１の構成と同様に、断熱型量子磁束パラメトロン回路１は、電源線３と、電源線３に沿って配置された超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２と、超伝導トランス４とを備え、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は中心ノード２ｃを超伝導リング２ｄに挟んで二つのジョセフソン接合２ａ，２ｂを備え、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２の出力を超伝導トランス４から出力する。

【0095】

第３の構成例の超伝導トランス４は、一対のトランス部４Ａ，４Ｂを、電源線３を挟んで同一側において電源線３の方向に対して同位置に積層して配置する。一対のトランス部４Ａ，４Ｂの一次側配線４Ａａ、４Ｂａ、及び二次側配線４Ａｂ，４Ｂｂの配線パターンは、電源線３を含む面に対して左右反転した関係に配置する。なお、図８ではグラウンドは図示していないが、電源線３に対して下方に設けたトランス部４Ａの下側、上方に設けたトランス部４Ｂの上方にグラウンドを設ける。

【0096】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、電源線３を挟んで同一側において電源線３の方向において同位置に積層して配置されるため、電源線３の励起電流によって誘起される磁束は逆方向となる。

【0097】

また、一対のトランス部４Ａ，４Ｂの配線パターンは電源線３を含む面に対して左右反転した関係にあるため、逆方向に誘起された磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は互いに逆方向となり、一次側配線の入力端の結合部及び二次側配線の出力端の結合部では互いに逆方向に電流が入力し、互いに相殺される。

【0098】

［本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路を用いた超伝導論理素子の形態］
断熱型量子磁束パラメトロン回路は電流方向に対して"１"及び"０"を対応させることで論理演算を行うことができ、入力信号に対する出力信号の出力状態によってバッファ、ＮＯＴ、定数、及びブランチ（分岐）の各論理機能を奏する超伝導論理素子を構成することができる。

【0099】

バッファの超伝導論理素子は電流方向が入力信号と同じ方向の出力信号を出力し、ＮＯＴの超伝導論理素子は電流方向が入力信号と反対方向の出力信号を出力し、定数の超伝導論理素子は入力信号に係わらず常に一定の出力信号を出力する。以下では、バッファ、ＮＯＴ、定数、及びブランチの各論理機能を奏する超伝導論理素子をそれぞれバッファ論理素子、ＮＯＴ論理素子、定数論理素子、及びブランチ論理素子の名称を用いて説明する。

【0100】

（バッファ論理素子）
バッファ論理素子はバッファの機能を備える超伝導論理素子であり、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の中心ノードに入力信号を入力し、超伝導トランスの二次側配線に出力端から出力信号を出力する構成において、超伝導トランスのトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から出力される出力電流の電流方向が入力端に入力される入力電流の電流方向と同方向となるように構成する。

【0101】

このバッファ論理素子の構成については、図２〜図８を用いて説明しているので、以下では図９，図１０及び図１１を用いてＮＯＴ論理素子、定数論理素子、及びブランチ論理素子について説明する。

【0102】

（ＮＯＴ論理素子）
ＮＯＴ論理素子１１は、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の中心ノードに入力信号を入力し、超伝導トランスの一対のトランス部の配線パターンを、二次側配線の出力端から出力される出力電流の電流方向を入力端に入力される入力電流の電流方向と反対方向となるように構成する。図９はＮＯＴ論理素子の構成例を説明するための図である。

【0103】

図９（ａ）は一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）と二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）とが積層した状態を示し、図９（ｂ）は構成を説明するために、二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）を一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）から分離して示している。

【0104】

図９において、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２はジョセフソン接合２ａ，２ｂの端部を接地することによって超伝導リング２ｄを形成している。

【0105】

図９（ｂ）において、超伝導トランス４を構成する一次側配線４ａ及び４ｂにおいて、一次側配線４ａを構成する一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとは電源線３の方向に対称であり、また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂとについても電源線３と直交する直線に対して線対称である。

【0106】

ＮＯＴ論理素子１１を構成する超伝導トランスの一次側配線４ａ及び４ｂにおいて、一次側配線４ａを構成する一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとは、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分ＩA（図中の破線で示す）は各配線の結合部Ｑに対して互いに逆方向である。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂとについても、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分IB（図中の破線で示す）は各配線の結合部Ｒに対して互いに逆方向である。

【0107】

一方、一次側配線４ａにおいて、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１０２の出力による一次電流Ｉqは結合部Ｑにおいて二分され、電流分ＩC（図中の実線で示す）が一次側配線４Ａａ及び一次側配線４Ｂａに流れる。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂでは、一次側配線４Ａａ及び一次側配線４Ｂａとの相互磁気結合によって電流分ＩDが流れる。電流分ＩDは、二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂの結合部Ｒで合流し、出力信号Ｉoutを出力する。

【0108】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、電源線３に対して同一側において電源線３の方向に沿って平行に配置されるため、電源線３の励起電流によって同方向の磁束が誘起される。一方、一対のトランス部４Ａ，４Ｂの配線パターンは電源線３の方向に対して互いに対称であるため、同方向に誘起された磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は、各配線の結合部に対して互いに逆方向となり相殺される。

【0109】

二次側配線４ｂを形成するスパイラル形状の配線パターンは、図２，３に示したバッファを構成する超伝導論理素子の二次側配線の配線パターンとは電流方向が逆向きとなるように設定する。この配線パターンとすることによって、出力信号の電流方向を入力信号の電流方向と逆方向としてＮＯＴの機能を備えるＮＯＴ論理素子１１を構成する。

【0110】

（定数論理素子）
定数論理素子１２は、バッファを構成する超伝導論理素子において、断熱型量子磁束パラメトロン回路が備える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）のレイアウトを中心ノードに対して非対称とすると共に、中心ノードには入力端を設けず、入力信号を非入力とする。図１０は構成例を説明するための図である。

【0111】

図１０（ａ）は一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）と二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）とが積層した状態を示し、図１０（ｂ）は構成を説明するために、二次側配線４ｂ（４Ａｂ，４Ｂｂ）を一次側配線４ａ（４Ａａ，４Ｂａ）から分離して示している。

【0112】

図１０において、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２はジョセフソン接合２ａ，２ｂの端部を接地して形成された超伝導リング２ｄに対して、バッファの構成が備える入力端を設けず、入力信号の入力を行わない。

【0113】

超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２は、中心ノード２ｃに対してレイアウトを非対称とする。超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２はレイアウトが非対称となることで、励起電流が印加されると常に特定の論理状態となり、一定出力となる。

【0114】

非対称なレイアウトは、複数の形態とすることができる。一形態は、ジョセフソン接合２ａ，２ｂにおいてジョセフソン接合の面積を異ならせる構成である。図１０ではジョセフソン接合２ａの面積をジョセフソン接合２ｂの面積よりも大きくした構成例を示している。

【0115】

他の形態は、中心ノード２ｃを挟む超伝導リング２ｄの長さ（線路長）を異ならせる構成である。図１０では一方の超伝導リング２ｄの長さ（線路長）ｌｂを他方の超伝導リング２ｄの長さ（線路長）ｌａよりも長くした構成例を示している。

【0116】

また、シャント抵抗を設ける形態とすることもできる。図１０では、一方のジョセフソン接合側の超伝導リング２ｄにシャント抵抗２ｅを設けた例を示している。

【0117】

定数論理素子１１の超伝導トランスは、前記したバッファ論理素子と同様の構成および動作とすることができる。図１０（ｂ）において、超伝導トランス４を構成する一次側配線４ａ及び４ｂにおいて、一次側配線４ａを構成する一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａとは電源線３の方向に対称であり、また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂとについても電源線３と直交する直線に対し線対称である。

【0118】

一対のトランス部４Ａ，４Ｂは、電源線３に対して同一側において電源線３の方向に沿って平行に配置されるため、電源線３の励起電流によって同方向の磁束が誘起される。一方、一対のトランス部４Ａ，４Ｂの配線パターンは電源線３と直交する直線に対し線対称であるため、同方向に誘起された磁束によって配線パターンに生じる電流の方向は、配線の結合部に対して互いに逆方向となり、電流は相殺される。

【0119】

定数論理素子１２を構成する超伝導トランスの一次側配線４ａ及び４ｂにおいて、一次側配線４ａを構成する一次側配線４Ａａと一次側配線４Ｂａは、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分ＩA（図中の破線で示す）が各配線の結合部Ｑに対して互いに逆方向となるように設けられる。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂについても、電源線３との磁気結合によって誘起される電流分IB（図中の破線で示す）が各配線の結合部Ｒに対して互いに逆方向となるように設けられる。

【0120】

一方、一次側配線４ａにおいて、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１０２の出力による一次電流Ｉqは結合部Ｑにおいて二分された電流分ＩC（図中の実線で示す）が流れる。また、二次側配線４ｂを構成する二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂでは、一次側配線４Ａａ及び一次側配線４Ｂａとの相互磁気結合によって電流分ＩDが流れる。電流分IDは、二次側配線４Ａｂと二次側配線４Ｂｂの結合部Ｒにおいて合流し出力信号Ｉoutとして出力される。

【0121】

前記した超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）のレイアウトを非対称とする形態の他、超伝導トランスを非対称とすることで定数論理素子を構成することもできる。超伝導トランスにおける非対称な構成として、例えば、二次側配線の配線長や配線幅を異ならせる構成とすることができる。

【0122】

上記した各形態による定数論理素子は、少なくとも何れか一つによって構成することができ、一定の出力信号を出力する定数の機能を備えることができる。

【0123】

（ブランチ論理素子）
ブランチ論理素子１３は、超伝導論理素子間を接続する論理素子であり、一入力信号を分割して複数の出力信号を出力する機能、あるいは複数の入力信号を多数決論理で出力する機能である。バッファ論理素子、ＮＯＴ論理素子、定数論理素子の出力信号を入力し、一入力を複数出力に分岐する機能、あるいは複数の超伝導論理素子からの複数入力を多数決論理によって一出力とする機能を奏する。

【0124】

ブランチ論理素子１３は二本の配線を備え、両配線の各一方の端部を入力端とし、両配線の各他方の端部を出力端とし、両配線を電源線の励起電流によって両配線に誘起される磁束方向が互いに逆方向として構成する。この構成により、超伝導論理素子間を接続する機能を奏する。

【0125】

図１１はブランチ論理素子の構成例を説明するための図である。図１１（ａ）は三つの入力信号を多数決論理によって一つの出力信号として出力する構成例を示し、図１１（ｂ）は一つの入力信号を三つの出力信号に分岐させて出力する構成例を示している。

【0126】

図１１（ｃ）は図１２（ａ）の等価回路に対応する構成例であり、三つの入力信号を入力し、多数決論理によって一つの出力信号を出力する。ブランチ論理素子１３は、三つのバッファ論理素子１０ａ，１０ｂ、１０ｃの３出力信号を入力して多数決論理によって得た一つの出力信号を出力する。図１１（ｃ）では、三つのバッファ論理素子１０ａ，１０ｂ、１０ｃと、図１１（ａ）に対応するブランチ論理素子１３の構成例を示している。

【0127】

図１１（ｃ）において、ブランチ論理素子１３は二本の配線１３Ａ，１３Ｂからなる複数個の配線部（１３−１，１３−２，１３−３）を備える。これら複数個の配線部（１３−１，１３−２，１３−３）は、それぞれ二本の配線１３Ａ，１３Ｂの各端部同士を接続し、一方の端部を入力端１３ａとし、他方の端部を結合部１３ｂとしている。図１１（ｃ）の構成例では、結合部１３ｂは３個の配線部（１３−１，１３−２，１３−３）において共通の結合部を構成し、出力端１３ｃに接続している。

【0128】

図１１（ｃ）に示す構成は、３入力信号から１出力信号を出力する構成例を示しているが、結合部１３ｂを入力端とし入力端１３ａを出力端とすることによって１入力信号を３つに分割して出力する構成とすることもできる。

【0129】

なお、図１１では、配線部の個数を３とした例を示しているが、配線部の個数は３に限らず任意の個数とすることができる。また、入力端及び出力端の個数についても、一方の端部の個数は１に限らず、配線部の個数以内であれば任意の個数とすることができる。例えば、入力端と出力端の個数の割合は、例示したように３：１とする他、１：３，２：１，１：２，２：３，３：２，２：５,５：２等、任意に定めることができる。

【0130】

図１１（ｃ）において、両配線１３Ａ，１３Ｂの配線パターンを、各超伝導論理素子が備える断熱型量子磁束パラメトロン回路内の電源線３によって誘起される磁束方向に対して、両配線１３Ａ，１３Ｂに流れる電流が結合部１３ｂに対して互いに逆方向となるように配置する。

【0131】

図１１（ｃ）に示す構成は複数の超伝導論理素子からの複数入力を多数決論理によって一出力とする機能を奏する構成であり、配線１３Ａ，１３Ｂの配線パターンを中心線に対して対称とすることによって電流方向を互いに逆方向としている。この配線パターンによって、電源線からの磁束で誘起される電流を電流の結合部に対して逆方向として互いに相殺させる。図１１（ｃ）では、各配線１３Ａ，１３Ｂを互いに逆方向となるように折り曲げて配線パターンを構成としているが、電流の方向が結合部１３ｂに対して互いに逆方向であれば任意の配線パターンとしてもよい。

【0132】

二つの配線は、電源線の電流によって誘起される両配線の電流の向きを二つの配線の結合部に対して逆方向とし、電源線の電流によって両配線に誘起される電流を電流の結合部に対して互いに相殺させる。

【0133】

また、複数個の配線部のそれぞれの配線長を等しくすることによって、ブランチ論理素子内の各配線部のインダクタンスを一致させ、各配線部を流れる信号電流の大きさを揃えることができる。各素子からの信号レベルを合わせることによって多数決論理が可能となる。

【0134】

本願発明の超伝導論理素子は、上記したバッファ論理素子１０，ＮＯＴ論理素子１１，定数論理素子１２，及びブランチ論理素子１３を組み合わせることによって種々の論理回路を構成することができる。図１２は本願発明の超伝導論理素子による論理回路の構成例を説明するための図である。

【0135】

図１２（ａ）は多数決論理回路（ＭＡＪ）２１の構成例を説明するための図である。多数決論理回路（ＭＡＪ）は、複数のバッファ論理素子１０の出力端をブランチ論理素子１３の入力端と接続することで構成することができる。多数決論理回路（ＭＡＪ）２１の出力端ｘの論理状態は各バッファ論理素子１０の出力電流の和で表される。バッファ論理素子１０の入力端の論理状態をａ，ｂ，ｃとしたとき、多数決論理回路（ＭＡＪ）２１の出力端ｘの論理状態は以下の式で表される。
ｘ＝ＭＡＪ（a,b,c）＝ab＋bc＋ca

【0136】

図１２（ｂ）はＮＡＮＤ論理回路２２の構成例を説明するための図である。ＮＡＮＤ論理回路２２は、２つのバッファ論理素子１０の出力端と一つの定数論理素子１２の出力端をブランチ論理素子１３の入力端と接続することで構成することができる。ＮＡＮＤ論理回路２２の出力端ｘの論理状態は２つのバッファ論理素子１０と定数論理素子１２の出力電流の和で表される。２つのバッファ論理素子１０の入力端の論理状態をａ，ｂとしたとき、ＮＡＮＤ論理回路２２の出力端ｘの論理状態は以下の式で表される。
ｘ＝ＭＡＪ（a*,1,c*）＝(ab)*
なお、"*"は符号反転を表している。

【0137】

図１２（ｃ）は分割（ＳＰＬ）論理回路２３の構成例を説明するための図である。分割論理回路２３は、バッファ論理素子１０の出力端をブランチ論理素子１３の入力端と接続することで構成することができる。分割論理回路２３の出力端ｘ、ｙ、ｚの論理状態はバッファ論理素子１０の入力端の論理状態をａとしたとき以下の式で表される。
ｘ＝ｙ＝ｚ＝ａ

【0138】

なお、本願発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本願発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本願発明の範囲から排除するものではない。

【産業上の利用可能性】

【0139】

本願発明の断熱型量子磁束パラメトロン回路、超伝導論理素子は、超伝導集積回路の分野等に適用することができる。

【符号の説明】

【0140】

１ 断熱型量子磁束パラメトロン回路
１ａ 入力端
１ｂ 出力端
２ 超伝導量子干渉素子
２ａ，２ｂ ジョセフソン接合
２ｃ 中心ノード
２ｄ 超伝導リング
２ｅ シャント抵抗
３ 電源線
４ 超伝導トランス
４in 入力端
４out 出力端
４Ａ，４Ｂ トランス部
４ａ，４Ａａ，４Ｂａ 一次側配線
４ｂ，４Ａｂ，４Ｂｂ 二次側配線
１０ バッファ論理素子
１１ ＮＯＴ論理素子
１２ 定数論理素子
１３ ブランチ論理素子
１３Ａ，１３Ｂ 配線
１３ａ 入力端
１３ｂ 結合部
１３ｃ 出力端
２１ 多数決論理回路（ＭＡＪ）
２２ 論理回路
２３ 分割論理回路
１０１ 断熱型量子磁束パラメトロン回路
１０２ 超伝導量子干渉素子
１０２ａ，１０２ｂ ジョセフソン接合
１０２ｃ 中心ノード
１０２ｄ 超伝導リング
１０３ 電源線
１０４ 超伝導トランス
１０４ａ 一次側配線
１０４ｂ 二次側配線
１０４ｃ 出力端
１１０ 超伝導シールド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】