(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のジョセフソン接合と第２のジョセフソン接合を直列に接続した第１の接合列と、第３のジョセフソン接合と第４のジョセフソン接合を直列に接続した第２の接合列とを備え、前記第１および第２の接合列のそれぞれのジョセフソン接合の接続点を第１の超電導配線で接続するとともに前記各接合列の一端をグランドに接地し且つ前記各接合列の他端を第２の超電導配線で接続して構成される超電導単一磁束量子回路であって、前記第２の超電導配線を介して信号入力を導入し、第１の超電導配線で接続された前記第１および第２の接合列のそれぞれのジョセフソン接合の接続点のいずれかに読み出し部分回路を接続したことを特徴とする超電導単一磁束量子回路。
【請求項２】
前記読み出し部分回路は２個以上のジョセフソン接合と１個以上の超電導配線によって構成される請求項１記載の超電導単一磁束量子回路。
【請求項３】
前記読み出し部分回路は１個以上のジョセフソン接合と１個以上の超電導配線とを有し、前記１個以上の超電導配線のいずれかに直接もしくは磁気的に結合する超電導量子干渉素子によって構成される請求項１記載の超電導単一磁束量子回路。
【請求項４】
前記ジョセフソン接合は電流−電圧特性にヒステリシスを示さない抵抗シャント型のジョセフソン接合である請求項１〜３のいずれかに記載された超電導単一磁束量子回路。
【請求項５】
前記ジョセフソン接合および超電導配線は酸化物超電導体Ｍ’Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7、（ここでＭ’はＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕあるいはそれらの化合物）より選ばれた材料である請求項１〜４のいずれかに記載の超電導単一磁束量子回路。
【請求項６】
前記ジョセフソン接合および超電導配線は鉛、鉛の合金、ニオブ、ニオブ金属間化合物、より選ばれた材料である請求項１〜４のいずれかに記載の超電導単一磁束量子回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一磁束量子を情報担体とする高速低消費電力の超電導単一磁束量子回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単一磁束量子を読み出す回路は、たとえば、金属ニオブ超電導体／アルミニウム酸化物／ニオブ超電導体で形成されるジョセフソン接合を集積化して回路を構成した例がアイトリプルイー・トランザクションオンマグネティクス、第２５卷、第８号、第８６１頁〜第８６４頁に開示されている。また、酸化物高温超電導材料を用いた回路は、たとえば、イットリウムバリウム銅酸化物／コバルトドープイットリウムバリウム銅酸化物／イットリウムバリウム銅酸化物で形成されるジョセフソン接合を集積化して回路を構成した例がアイトリプルイー・トランザクションスーパーコンダクティビティー、第９卷、第２号、第３８２５頁〜第３８２８頁に開示されている。
【０００３】
図８は、上記公知例における超電導単一磁束量子回路の等価回路を示す。Ｊo−Ｊ4およびＪ14−Ｊ15はジョセフソン接合を、Ｌi，Ｌ0，Ｌ7およびＬ8は超電導配線のインダクタを、Ｉb0，Ｉb1およびＩb2はバイアス電流源を、Ｖは出力電圧をモニターする為の電圧計を、それぞれ示す。この回路では、 Ｌiから入力される磁束量子パルスがインダクタＬ0、ジョセフソン接合Ｊ0にを介して後段のトグルフリップフロップに伝播される。バイアス電流Ｉb0、 Ｉb1およびＩb2が適当な値に設定され、磁束量子パルスが入力されると、ジョセフソン接合Ｊ2、Ｊ4および超電導配線のインダクタＬ7、Ｌ8からなる超電導ループに磁束量子が保持され、これに伴う周回電流が流れる。引き続いて後続の磁束量子パルスが入力されると、周回電流はリセットされる。超電導配線のインダクタＬ7、Ｌ8の接続点にはジョセフソン接合Ｊ14、Ｊ15の直列回路よりなる読み出し部分回路が接続され、これを通して繰り返して入力される磁束量子パルスによる０電圧状態と電圧状態との遷移が検出される。
【０００４】
この回路は、比較的低いクロック周波数での動作は安定に行われるが、磁束量子を保持する超電導ループの内側に接続された直列ジョセフソン接合によって磁束量子の読み出しを行っているため回路構成が複雑になり、回路設計上のレイアウトに大きな制約が生じる困難があった。特に酸化物高温超電導体を用いた場合には積層構造を作製するのが困難であるため回路レイアウトの制約は一層大きい。また、読み出しに関わるジョセフソン接合の臨界電流値が小さいために出力信号の電圧値は数０．１ｍＶ程度である。この出力レベルでは高いクロック周波数での動作が実現不可能であるという問題が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来公知例では磁束量子の読み出し動作を実行する際に出力端子が磁束を保持する超電導ループの内側に形成されていたため回路レイアウトが容易でなくまた出力レベルも０．１ｍＶオーダの小さい値でしかないという課題があった。
【０００６】
本発明は、読み出し動作を高速かつ大きな論理振幅を有する電圧信号で実現し、高速、低消費電力という特徴を備えた超電導論理回路の基本回路を供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を踏まえ、本発明では、回路設計上のレイアウトが容易であることを目的として、読み出しを行う部分回路を磁束を保持する超電導ループの外側に接続する回路構成とした。さらに大きな出力電圧を得るために、読み出しを行う部分回路を（１）２個以上のジョセフソン接合を直列に接続する構成、もしくは、（２）超電導量子干渉素子による読み出し回路によって構成するものとした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の詳細を図に示す実施例を参照しながら説明する。
【０００９】
実施例１
図１に第１の実施例の等価回路を示す。バイアス電流Ｉb0、Ｉb1、Ｉb2およびＩb3を適当な値に設定する。入力信号である磁束量子パルスは超電導配線のインダクタＬiを介してジョセフソン接合Ｊ0に入力される。最初の磁束量子パルスが超電導配線のインダクタＬ0を介して入力されると、ジョセフソン接合Ｊ2、Ｊ4および超電導配線のインダクタＬ1からなる超電導ループに磁束量子が保持され、これに伴う周回電流が流れる。引き続いて磁束量子パルスが入力されると、周回電流はリセットされる。読み出し部分回路はジョセフソン接合Ｊ5およびＪ6の直列接続とし、超電導配線のインダクタＬ2および超電導配線のインダクタＬ3とともに、一端がジョセフソン接合Ｊ3およびＪ4の接続点に接続され、他端がグランドに接続される。一連の磁束量子の繰り返しの入力による磁束量子の超電導ループでの保持と掃出の繰り返しに応じて、読み出し部分回路の出力端子において、０電圧状態と電圧状態との遷移が生じる。すなわち、ジョセフソン接合Ｊ5およびＪ6の接続点で電圧計によりモニターすると、超電導ループにおける磁束の有無に対応して出力が変化する単一磁束量子の読み出し動作を実行できる。
【００１０】
なお、読み出し部分回路の接続位置は、本実施例ではジョセフソン接合Ｊ3およびＪ4の接続点としたが、これはジョセフソン接合Ｊ1およびＪ2の接続点としても同じ動作を行わせる事が出来る。
【００１１】
図２に第１の実施例による回路の動作波形の例を示す。図２の動作は入力信号が２０ＧＨｚの場合であり、磁束量子パルスが入力されるたびに０電圧状態と電圧状態間の遷移が生じている。図２から分かるように、本実施例では、ほぼ０．３ｍＶの出力電圧が得られている。本発明第１の実施例における回路パラメータおよびバイアス電流値を表１にまとめた。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
本発明の超電導単一磁束量子回路においては、ジョセフソン接合は電流−電圧特性にヒステリシスを示さない抵抗シャント型のジョセフソン接合が適しており、金属材料および酸化物高温超電導材料いずれを用いても作製することが可能である。例えば、鉛、鉛の合金、ニオブ、ニオブ金属間化合物、より選ばれた材料、あるいは、酸化物超電導体Ｍ’Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7、（ここでＭ’はＹ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕあるいはそれらの化合物）より選ばれた材料を使用することができる。
【００１４】
図３（ａ）（ｂ）に、高温超電導材料によるグランドプレーンなしのランプエッジ接合を用いた場合の回路レイアウトの一例を示す。図３（ａ）に平面図を示し、図３（ｂ）にジョセフソン接合部Ｊ0に着目した断面図を示す。一般にグランドプレーンがない回路構造ではグランドコンタクトをとることができないため回路レイアウトの制約が大きい。しかし、読み出し部分回路を磁束を保持する超電導ループの外側に設ける本発明では図３に示すような回路レイアウトが実現可能となる。
【００１５】
図３（ａ）において１００は基板である。２００および３００は下部超電導薄膜、６００、７００および８００は上部超電導薄膜であり、両薄膜が重なった位置に太い線のハッチングで示すジョセフソン接合Ｊ0からＪ6が形成されている。下部超電導薄膜２００と上部超電導薄膜７００とが重なった部分にもジョセフソン接合はできるが、この部分は本来のジョセフソン接合を形成した部分と異なり非常に大きな面積で重なるように構成されているために、実質的にはジョセフソン接合としては機能せず、単なる接続部として機能することになる。太い矢印で示す線は、バイアス電流Ｉb0からＩb3の注入、ジョセフソン接合Ｊ0への入力磁束量子パルスＩinputの導入および電圧出力の導出を示す。下部超電導薄膜２００はグランドに接続されるが、下部超電導薄膜３００は浮いた状態である。
【００１６】
図３（ｂ）において、２００および６００はそれぞれ下部超電導薄膜および上部超電導薄膜であり、ラップエッジ表面の層間絶縁膜部分とともにジョセフソン接合Ｊ0を形成している。２０は両薄膜の層間絶縁膜、１３は電極を示す。グランドへの接続、バイアス電流の注入、入力磁束量子パルスの導入および出力電圧の導出には、必要な位置に、電極１３を形成する。
【００１７】
図３を参照して明らかなように、本発明によれば、読み出し部分回路を磁束を保持する超電導ループの外側に設けるから、実際の回路レイアウトは著しく容易になる。
【００１８】
実施例２
図４に第２の実施例による等価回路を示す。本実施例は信号入力部とトグルフリップフロップ部分の構成および読み出し部分回路が超電導ループの外側に接続されている点は第１の実施例と同様である。本実施例においては、読み出し部分回路がジョセフソン接合Ｊ8、Ｊ9と超電導配線のインダクタＬ4によって形成される超電導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）を含んで構成されている点が異なっている。
【００１９】
図５に第２の実施例による回路動作の波形を示す。周波数２０ＧＨｚの入力信号に対して正常な動作を示している。超電導量子干渉素子ｄｃ−ＳＱＵＩＤを用いて読み出し部分回路を構成することにより、０．５ｍＶの出力電圧を得ることが可能である。
【００２０】
表２に第２の実施例における回路パラメータの値をまとめた。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
実施例３
図６に第３の実施例による等価回路を示す。本実施例は信号入力部とトグルフリップフロップ部分の構成および読み出し部分回路が超電導ループの外側に接続されている点は第１の実施例と同様である。本実施例においては、読み出し部分回路が直列に接続された４個のジョセフソン接合Ｊ10、Ｊ11、Ｊ12、Ｊ13から構成されている点が異なっている。本実施例においては、大きな出力を有しかつ２つの繰り返し入力に対して状態が遷移する分周動作を実行できる。
【００２３】
図７に第３の実施例による回路動作の波形を示す。周波数２０ＧＨｚの入力信号に対して正常な動作を示している。直列に接続したジョセフソン接合により１ｍＶを超える大きな出力電圧が得られている。
【００２４】
表３に本発明第３の実施例における回路パラメータの値をまとめた。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
以上の実施例は金属材料、酸化物高温超電導材料いずれの材料を用いた場合にも実現することが可能である。回路のレイアウトが容易になることから、特に酸化物高温超電導材料を用いた場合に有効である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明では、読み出し部分回路を磁束を保持する超電導ループの外側に接続する構成により回路レイアウトと集積化の容易な超電導単一磁束量子回路が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施例における等価回路を示す図。
【図２】第１の実施例による回路の動作波形の例を示す図。
【図３】（ａ）（ｂ）は高温超電導材料によるグランドプレーンなしのランプエッジ接合を用いた場合の回路レイアウトの一例を示す図であり、（ａ）に平面図、（ｂ）にジョセフソン接合部Ｊ0に着目した断面図を示す。
【図４】第２の実施例による等価回路を示す図。
【図５】第２の実施例による回路の動作波形の例を示す図。
【図６】第３の実施例による等価回路を示す図。
【図７】第３の実施例による回路の動作波形の例を示す図。
【図８】公知例における超電導単一磁束量子回路の等価回路を示す図。
【符号の説明】
Ｊ0〜Ｊ13：ジョセフソン接合、Ｌ0〜Ｌ6：超電導配線のインダクタ、Ｉb0〜Ｉb3：バイアス電流源、１００：基板、２００および３００：下部超電導薄膜、６００、７００および８００：上部超電導薄膜、Ｉinput：入力磁束量子パルスの導入、Ｖoutput：電圧出力の導出、１３：電極、２０：層間絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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