(57)【要約】【課題】量子標準として適切な出力を持つ電流源は提案されていない。【解決手段】島電極に非断熱パルスをポンピングパルスとして印加すると共に、ドレイン電極のバイアス電圧を選択設定しておくことにより、クーパー対を１個ずつ、ソース電極から前記島電極に注入し、更に、島電極からドレイン電極に転送するクーロン対ポンプが得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極、ドレイン電極、島電極、前記ソース電極と前記島電極との間に設けられた第１のジョセフソン接合、及び、前記島電極と前記ドレイン電極との間に設けられた第２のジョセフソン接合とを備え、前記島電極に非断熱パルスをポンピングパルスとして印加することにより、クーパー対を１個ずつ、前記ソース電極から前記島電極に注入し、更に、前記島電極から前記ドレイン電極に移動させることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ポンピングパルスは、前記第１のジョセフソン接合と前記島電極、及び、前記島電極と第２のジョセフソン接合との間で、コヒーレント振動が生じないような周波数を有していることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項３】
請求項２において、前記ポンピングパルスは、前記第１のジョセフソン接合及び前記第２のジョセフソン接合における第１及び第２のジョセフソンエネルギに依存した周波数を有することを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、前記クーパー対を前記ソース電極から前記島電極に注入する場合における第１のポンピング周波数と、前記島電極から前記ドレイン電極に前記クーパー対を移動させる場合における第２のポンピング周波数とが互いに等しいことを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項５】
請求項３において、前記クーパー対を前記ソース電極から前記島電極に注入する場合における第１のポンピング周波数と、前記島電極から前記ドレイン電極に前記クーパー対を移動させる場合における第２のポンピング周波数とが互いに異なっていることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項６】
請求項４又は５のいずれかにおいて、前記第１のポンピング周波数は、ＥＪＬ／ｈ（但し、ＥＪＬは第１のジョセフソン接合におけるジョセフソンエネルギ、ｈはプランク定数）で表され、他方、前記第２のポンピング周波数は、ＥＪＲ／ｈ（但し、ＥＪＲは第２のジョセフソン接合におけるジョセフソンエネルギ）で表されることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項７】
請求項６において、前記第１及び前記第２のポンピングパルスの周波数は、それぞれ、ＥＪＬ／ｈ及びＥＪＲ／ｈで表されることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、前記ドレイン電極に出力されるポンプ電流は２ｅｆ（但し、ｅは電子電荷、ｆは動作周波数であり、ｆ＝（（ＥＪＬ＋ＥＪＲ）／２ｅ）で表される非断熱パルスであることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法。
【請求項９】
ソース電極、ドレイン電極、島電極、前記ソース電極と前記島電極との間に設けられた第１のジョセフソン接合、前記島電極と前記ドレイン電極との間に設けられた第２のジョセフソン接合、前記島電極に非断熱パルスをポンピングパルスとして印加するパルス源、及び、前記ドレイン電極をクーロン・ブロッケイド現象の生じる電圧よりも低い電圧を印加するバイアス源とを備えたことを特徴とするクーパー対ポンプ。
【請求項１０】
請求項９において、前記パルス源は、前記ポンピングパルスとしてπパルスを発生することを特徴とするクーパー対ポンプ。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、前記ポンピングパルスの周波数は、第１及び第２のジョセフソン接合におけるジョセフソンエネルギによって決定されることを特徴とするクーパー対ポンプ。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれかにおいて、前記バイアス電圧はΔ／ｅ（但し、Δは超伝導エネルギギャップ、ｅは電子の電荷）で表されることを特徴とするクーパー対ポンプ。
【請求項１３】
請求項１２において、前記ドレイン電極から出力される電流は、２ｅＥＪ／ｈ（但し、ＥＪはジョセフソン接合のジョセフソンエネルギ、ｈはプランク定数）で表されることを特徴とするクーパー対ポンプ。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかに記載されたクーパー対ポンプを用いて構成されたことを特徴とする電流源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クーパー対ポンプ及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータ実現に種々の研究・開発等が進められている。このような量子コンピュータを実現するためには、量子標準となる電圧源、抵抗源、及び電流源を定めておく必要があるものと推測される。これまで、電圧源、抵抗源については、既に提案されている。しかしながら、量子標準となる電流源については未だ有効な手段が提案されていないのが現状である。
【０００３】
これまで、例えば、チャージポンプ、ターンスタイルのようなクーロン・ブロッケイド装置を計測機器等に応用することが提案されており、この種計測機器等を量子標準となる電流源とすることも考えられる。
【０００４】
ここで、クーロン・ブロッケイド装置における動作は、単一電子或いはクーパー対のような電荷を一つずつ一方向に、数個の接合を転送制御することに基いており、正味電流は交流制御信号の周波数に依存し、周波数ｆと単一サイクル中に転送される電荷（ｅ又は２ｅ）の積で表される。
【０００５】
クーロン・ブロッケイド装置における動作精度は、交流信号源の周波数安定度だけでなく、トンネリング動作の際におけるエラーにも依存している。１０−１２程度の周波数安定度を有する市販されている発振器を用いた場合、装置本来の不完全性によって、１０−７程度の精度しか得られない。
【０００６】
更に、クーロン・ブロッケイド装置を計測機器等に応用する際にもう一つの重要なパラメータはポンプ電流の絶対値である。十分に高精度を得るには、装置動作周波数が、単一電子では、1/ＲＣより十分低い周波数であるか、クーパー対では（ＥＪ／（ｈ／２π））（ＥＪ／Ｅｃ）より十分低い周波数である必要がある（但し、ＥＪはジョセフソン接合におけるジョセフソンエネルギであり、Ｅｃは電荷エネルギである）。このように、クーロン・ブロッケイド装置を使用してクーパー対ポンプを構成した場合、１００ＭＨｚを超えない通常の周波数では、ポンプ電流は数十ピコアンペアであり、実用には余りにも小さすぎ、量子標準としての電流源を構成することは困難である。
【０００７】
一方、特許文献１は、単電子トランジスタ（ＳＥＴ）論理回路の電圧利得を大きくできる電子回路を開示している。特許文献１では、単電子トランジスタに電界効果トランジスタを接続すると共に、単電子トランジスタのソース・ドレイン間電圧を、クーロン・ブロッケイド状態を維持できる程度に低い電圧に保つ構成が開示されている。また、特許文献１は、電界効果トランジスタに接続された出力端子から、単電子トランジスタの島電極に対する負帰還作用を抑えることによって、大きな電圧利得を得ることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２８９８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１は、単電子トランジスタを含む論理回路の電圧利得を大きくすることを開示しているだけで、量子標準となるような電流源を構成することについて全く示唆していない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の原理によれば、超伝導単一電子トランジスタ中においてクーパー対を非断熱的に操作するチャージポンプの駆動方法が得られる。
【００１１】
本発明に係るクーパー対ポンプは、超伝導アイランドを備え、当該超伝導アイランドはトンネル接合を介して、超伝導ソース及びドレイン電極に接続された構成を備え、ＤＣ或いはＲＦ測定に使用される超伝導単一電子トランジスタに類似した構成を備えている。
【００１２】
本発明では、このような構成を備えた単一電子トランジスタを用いて、ソース電極から島電極へ、島電極からドレイン電極へ、一方向にクーパー対を１個ずつ移動させるクーパー対ポンプの駆動方法が得られる。
【００１３】
具体的に説明すると、本発明の一態様によれば、ソース電極、ドレイン電極、島電極、前記ソース電極と前記島電極との間に設けられた第１のジョセフソン接合、及び、前記島電極と前記ドレイン電極との間に設けられた第２のジョセフソン接合とを備え、前記島電極に非断熱パルスをポンピングパルスとして印加することにより、クーパー対を１個ずつ、前記ソース電極から前記島電極に注入し、更に、前記島電極から前記ドレイン電極に移動させることを特徴とするクーパー対ポンプの駆動方法が得られる。ここで、非断熱パルスとは、ジョセフソン接合と島電極との間で、コヒーレント振動が生じないような高い周波数（例えば、１０ＧＨｚ程度の周波数）を有するパルスであり、定量的には、立ち上がり及び立下り時間が２πｈ／ＥＪより十分速いパルスである。
【００１４】
このように、本発明は、前記ポンピングパルスとして、前記第１のジョセフソン接合と前記島電極、及び、前記島電極と第２のジョセフソン接合との間で、コヒーレント振動を起こさないような周波数を有する非断熱パルスを使用することを特徴としている。
【００１５】
本発明者等に知見によれば、ポンピングパルスとして、上記した非断熱パルスを使用すること、即ち、立ち上がり及び立ち下がり時間が十分速い、１０ＧＨｚ程度の周波数を有するパルスを使用することにより、ジョセフソン接合と島電極との間でコヒーレント振動が生じることなく、クーパー対を一方向にのみ移動させることができることを見出した。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、周波数ｆの高い上記非断熱パルスを用いることにより、クーパー対を１個ずつ一方向に移動させることにより、２ｅｆで表される出力電流をナノアンペア程度まで、大きくすることができ、量子標準となる電流源を構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るクーパー対ポンプの例を示す概略図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、及び、（ｃ）は図１に示されたクーパー対ポンプにおけるポテンシャル遷移及びクーパー対の移動を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、及び、（ｃ）は、図１に示されたクーパー対ポンプのポンピングパルスを図２（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）に対応して示す図である。
【図４】図１に示されたクーパー対ポンプのバイアス電圧とポンプ電流との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係るクーパー対ポンプの構成について説明する。図示されたクーパー対ポンプはソース電極１０、ドレイン電極１２、及び島電極１４を備え、ソース電極１０と島電極１４との間には、第１のジョセフソン接合１６が設けられ、他方、島電極１４とドレイン電極１２との間には、第２のジョセフソン接合１８が設けられている。また、島電極１４には、ゲート制御部２０からコンデンサ２２を介して、ゲート電圧Ｖｇが印加され、他方、ドレイン電極１２には、バイアス源２４からバイアス電圧Ｖｂが印加されている。
【００１９】
ここで、第１及び第２のジョセフソン接合１６及び１８は共に等しいジョセフソンエネルギＥＪを有しているものとし、更に、バイアス源２４は、Ｖｂ≦２Δ/ｅであらわされるバイアス電圧Ｖｂを供給しているものとする（ここで、Δは超伝導エネルギギャップであり、ｅは電子の電荷である）。即ち、クーパー対に対するクーロン・ブロッケイド現象は０電圧で生じ、これによって、電流が流れなくなるが、本発明では、クーロン・ブロッケイド現象が解けるバイアス電圧Ｖｂを印加することにより、クーパー対の輸送を可能にしている。
【００２０】
まず、初期状態において、島電極１４のポテンシャルがソース電極１０とドレイン電極１２のポテンシャルの間のポテンシャルになるように、島電極１４に与えられるゲート電圧Ｖｇが調整されている。
【００２１】
この状態では、クーパー対の可干渉的なトンネリングが抑制されるが、サブギャップ漏洩に加えて、環境との相互作用によって微小な正味電流が装置を流れる。
【００２２】
図２及び図３を参照して、図１に示されたクーパー対ポンプの動作を説明する。図２には、図１に示されたクーパー対ポンプのソース電極１０、島電極１４、及びドレイン電極１２のポテンシャル関係が示されており、図２の島電極１４には、図３に示すようなポンピングパルスがゲート電圧Ｖｇとして与えられることを示している。したがって、図１に示されたゲート制御部２０はパルス源としても動作することになる。ここで、ポンピングパルスｆｐｕｍｐの周波数は、１０ＧＨｚ程度の高い周波数を有している。このため、図示されたクーパー対ポンプのポンピングパルスは、コヒーレント振動を発生させないような非断熱パルスであり、当該クーパー対ポンプは非断熱パルスによって駆動されていることが分る。また、ポンピングパルスのパルス幅は、クーパー対を基底状態と励起状態との間で遷移させる幅に選択されているものとする。即ち、ポンピングパルスはπパルスであるものとする。
【００２３】
まず、図２（ａ）の島電極１４には、図３（ａ）に示すように、実線で示された中間ポテンシャルＡが与えられている。この場合、島電極１４のポテンシャルはソース電極１０のポテンシャルよりも低い状態にあり、且つ、ドレイン電極１２のポテンシャルよりも低い状態にある。図３（ａ）の状態では、ソース電極１０と島電極１４との間でクーパー対ｃｐの発振は生じないため、クーパー対ｃｐはソース電極１０から島電極１４に注入されない。
【００２４】
次に、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、非断熱性で正ポテンシャルＢのポンピングパルスがゲート電圧Ｖｇとして島電極１４に与えられると、島電極１４のポテンシャルがソースポンシャルと等しくなる。これによって、ソース電極１０と島電極１４間で、クーパー対ｃｐの可干渉的な発振が発生する条件が整う。
【００２５】
ここで、ドレイン電極１２には、前述したバイアス電圧Ｖｂが与えられている。
【００２６】
この状態で、時間間隔ｔπ＝π（ｈ／２π）/ＥＪ後に終了し、立ち上がり及び立ち下がり時間が２πｈ／ＥＪよりも速い非断熱パルス（π-パルス）がゲート電圧Ｖｇとして与えられる。
【００２７】
本発明者等の研究によれば、上記したバイアス条件及びポンピングパルス条件では、ソース電極１０と島電極１４間で、クーパー対ｃｐの可干渉的な発振が抑制され、単一のクーパー対ｃｐが島電極１４上に残り、この結果、ソース電極１０から島電極１４に単一のクーパー対ｃｐを注入することができることが判明した。
【００２８】
一方、上記した条件では、島電極１４とドレイン電極１２との間の共振条件が成立し、同様に、島電極１４とドレイン電極１２に関連して、コヒーレントな重ね合わせが成立する。
【００２９】
図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示すように、負のポテンシャルＣを持つポンピングパルスがゲート電圧Ｖｇとして与えられ、時間間隔ｔπ＝π（ｈ／２π）/ＥＪ（π-ｐｕｌｓｅ）後に終了すると、クーパー対ｃｐは島電極１４からドレイン電極１２へ転送される。このような操作の結果、単一のクーパー対ｃｐがソース電極１０からドレイン電極１２へ転送される。
【００３０】
このプロセスがエラーの発生無しに何度も繰り返されると、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐ＝２ｅｆが生じる。但し、ｆはポンプ周波数であり、ＥＪ／ｈであらわされる。
【００３１】
図４を参照すると、バイアス電圧Ｖｂとポンプ電流との関係が示されている。図示されているように、Δ／ｅのバイアス電圧Ｖｂが与えられている状態で、ゲート電圧Ｖｇが与えられると、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐが出力されることを示している。ここで、ジョセフソンエネルギＥＪはＥＪ＝ｈ×１０ＧＨｚの値を有しているから、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐの値は数十ナノアンペアのオーダーであり、断熱ポンピングで得られたポンプ電流に比較して遥かに大きい。実際、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐのピーク値は２ｅＥＪ／ｈで表され、３．２ｎＡであることが分った。
【００３２】
変形例
上記した実施形態では、第１及び第２のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギは互いに等しいものとして説明したが、各ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギは変化しても、本発明は同様に適用できる。例えば、図１に示された第１及び第２のジョセフソン接合１６、１８におけるジョセフソンエネルギをＥＪＬ及びＥＪＲとすると、π−パルスはそれぞれｔπＬ＝π（ｈ／２π）/ＥＪＬ及びｔπＲ＝π（ｈ／２π）/ＥＪＲとすることにより、上記した実施形態と同様な結果を得ることができる。この場合、動作周波数は、ｆ＝（ｔπＬ＋ｔπＲ）-1＝（ＥＪＬ＋ＥＪＲ）／２ｈとなる。
【００３３】
また、ポンピング周波数の１サイクル中、電子電荷（例えば、２ｅ／Ｎ）（Ｎは大きな整数）の一部にエラーが発生すると、Ｎサイクル後、装置は逆方向に電荷をチャージしてしまうことになる。結果として、正味ポンプ電流は予定した２ｅｆより非常に小さくなってしまう。この場合、Ｎをできるだけ大きくするために、π−パルスを正確に調整することによって、エラーの発生を防ぐことができる。
【００３４】
また、リセットプロセス、例えば、ゲートパルスを停止させ、アイランドポテンシャルを初期状態にすることも可能である。このシステムは初期状態に戻すことができる。リセットプロセスは正確なポンピングを可能にするが、ポンプ電流値を減少させる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ソース電極からドレイン電極まで、単一のクーパー対を転送でき、且つ、ナノアンペア単位の出力を得ることができるため、量子標準の電流源を構成することが可能になる。
【符号の説明】
【００３６】
１０                              ソース電極
１２                              ドレイン電極
１４                              島電極
１６                              第１のジョセフソン接合
１８                              第２のジョセフソン接合
２０                              ゲート制御部
２２                              コンデンサ
２４                              バイアス源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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