(57)【要約】【課題】交流信号を要することなく静的な消費電力を低減できる単一磁束量子回路を提供する。【解決手段】単一磁束量子回路は、ジョセフソン接合を有し、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値を超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力する接合部１１と、超伝導特性を有する配線のみからなり、接合部１１に臨界電流値以下の直流のバイアス電流を供給するバイアス部１０と、出力パルスが出力された際に生じる電流であってバイアス電流と逆の方向に流れる逆電流を受けて、当該逆電流を生じさせる滞留磁束をバイアス部１０から放出する滞留磁束放出部１２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン接合を有し、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値を超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力する接合部と、
超伝導特性を有する配線のみからなり、前記接合部に前記臨界電流値以下の直流のバイアス電流を供給するバイアス部と、
前記出力パルスが出力された際に生じる電流であって前記バイアス電流と逆の方向に流れる逆電流を受けて、当該逆電流を生じさせる滞留磁束を前記バイアス部から放出する滞留磁束放出部と、
を備えることを特徴とする単一磁束量子回路。
【請求項２】
前記滞留磁束放出部は、
臨界電流値が互いに異なる２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子で構成され、
前記バイアス電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合は、ともに超伝導状態から常伝導状態への状態遷移をせず、前記逆電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合の何れか一方において前記状態遷移がなされる
ことを特徴とする請求項１に記載の単一磁束量子回路。
【請求項３】
前記滞留磁束放出部と磁気結合し、当該滞留磁束放出部に循環電流を生じさせる超電導量子干渉素子調整用配線を更に備える
ことを特徴とする請求項２に記載の単一磁束量子回路。
【請求項４】
ジョセフソン接合を有する接合部が、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値を超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力し、
超伝導特性を有する配線のみからなるバイアス部が、前記接合部に前記臨界電流値以下の直流のバイアス電流を供給し、
滞留磁束放出部が、前記出力パルスが出力された際に生じる電流であって前記バイアス電流と逆の方向に流れる逆電流を受けて、当該逆電流を生じさせる滞留磁束を前記バイアス部から放出する
ことを特徴とする単一磁束量子回路動作方法。
【請求項５】
臨界電流値が互いに異なる２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子で構成される前記滞留磁束放出部が、前記バイアス電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合のいずれにおいても、超伝導状態から常伝導状態への状態遷移をさせず、前記逆電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合の何れか一方において、前記状態遷移をさせる
ことを特徴とする請求項４に記載の単一磁束量子回路動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一磁束量子回路及び単一磁束量子回路動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル回路を構築する技術として、超伝導体の特性を利用した単一磁束量子（Single Flux Quantum）回路が知られている。単一磁束量子回路は、超伝導体で形成されたリング（超伝導リング）を組み合わせて、これを貫く磁束の有無により論理情報を伝達、処理するデジタル回路である。
このような単一磁束量子回路は、現在、主流のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デジタル回路よりも高速な信号処理が期待され、ＣＭＯＳデジタル回路の代替技術の一つとして開発が進められている。
【０００３】
図８は、関連する技術に係る単一磁束量子回路の構成を示す図である。
以下、単一磁束量子回路の動作原理について、図８を参照しながら簡単に説明する。
図８に示すように、単一磁束量子回路８は、ジョセフソン接合を有する接合部８１と、抵抗素子８２とが直列に接続された回路構成を有している。単一磁束量子回路８の配線は全て超伝導材料で形成されており、超伝導配線の寄生インダクタンス成分をインダクタＬ１で示している。
【０００４】
ジョセフソン接合を有する接続部８１は、所定の臨界電流値Ｉｃを上回る電流が流れたときに、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移する素子である。すなわち、接続部８１は、自身に流れる電流が臨界電流値Ｉｃ以下のときは、他の配線と同じく超伝導状態にあり、自身に流れる電流が臨界電流値Ｉｃを上回った場合に、有限の抵抗値を有する常伝導体としての特性を有するものとなる。
【０００５】
抵抗素子８２は、直流電圧Ｖｂが印加されることで、接合部８１にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス部（バイアス部８０）として機能している。
【０００６】
単一磁束量子回路８は、電源電圧Ｖｂが印加されることによって動作する。具体的には、単一磁束量子回路８に電源電圧Ｖｂが印加されると、電源電圧Ｖｂと抵抗素子８２の抵抗値Ｒとによって定まる直流のバイアス電流Ｉｂが接続部８１に流れる。ここでバイアス電流Ｉｂは、接続部８１の臨界電流値Ｉｃをやや下回る値に調整されている。
【０００７】
この状態（静的状態）において、単一磁束量子回路８のＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルスが供給されたとする。このとき、入力パルスに応じて生じるパルス電流が接続部８１に流入する。そうすると、接続部８１には、電源電圧Ｖｂによって流れるバイアス電流Ｉｂに加え、当該入力パルスに応じて生じるパルス電流が足されるので、一時的に臨界電流値Ｉｃを上回る。
そして、接続部８１が超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移すると、インダクタＬ１を含む超伝導ループ内にトラップされていた磁束量子Φ０が、常伝導状態となった接合部８１から放出され、後段の単一磁束量子回路８における超伝導ループ内へと移動する（図８）。このとき、常伝導状態となっていた接合部８１の両端に生じた電位差が出力パルスとしてＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力される。
単一磁束量子回路８は、以上のような動作原理により、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から供給された入力パルスに応じて、ＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力パルスを出力する。この出力パルスは、後段における単一磁束量子回路８のＩＮＰＵＴ端子Ｔ３に入力され、信号が伝搬していく。
【０００８】
しかしながら、図８に示す単一磁束量子回路８は、バイアス部８０に電源電圧Ｖｂが印加された場合、回路動作が行われていない状態（静的状態）であっても、抵抗素子８２において一定量の電流Ｉｂが常に流れる構成となっている。すなわち、単一磁束量子回路８に電源電圧Ｖｂを印加した時点で、論理回路の動作の有無によらず、抵抗素子８２において一定の消費電力（静的消費電力）Ｐｓが生じることとなる。
このように、ジョセフソン接合（接合部８１）にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス部８０において抵抗素子８２を用いた場合、回路動作に寄与しない静的消費電力Ｐｓが増大することにより、回路全体としての消費電力が多くなってしまい、冷却に必要な電力も増加するという問題があった。
【０００９】
上述の問題を解決する方法の一つとして、ジョセフソン接合にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス部を、超伝導特性を有する配線のみからなる超伝導ループで構成し、静的消費電力をゼロにするという試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の単一磁束量子回路によれば、超伝導ループで構成されたバイアス部に対し、磁気結合によって遮蔽電流を生じさせ、この遮蔽電流をバイアス電流Ｉｂとして利用する。これにより、バイアス電流Ｉｂを生成するためのバイアス部における静的消費電力Ｐｓをゼロにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１０−５１７３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図９は、関連する技術に係る他の単一磁束量子回路の構成を示す図である。
図９に示すように、特許文献１に記載の単一磁束量子回路９は、バイアス部９０と、ジョセフソン接合を有する２つの接合部９１、９２と、を備えている。
この単一磁束量子回路９は、接合部９１にバイアス電流Ｉｂを供給するバイアス部９０を超伝導体のみで構成している。この場合、図９に示すように、バイアス部９０は、磁気結合によって、バイアス部９０を含む超伝導ループＮ（接合部９１及び接地端子Ｇ１とＧ２を介して構成される超伝導ループ）にバイアス電流Ｉｂを生成する。この状態で、単一磁束量子回路９のＩＮＰＵＴ端子Ｔ１に入力パルスが入力されると、接合部９１から出力パルスが出力され、これとともに出力パルス電流Ｉｐが送出される。この出力パルス電流Ｉｐは、ＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２以降の回路に伝搬する。
【００１２】
このとき、同時に、バイアス部９０の方にも所定の電流が流れてしまう。このバイアス部９０側に送出される電流（逆電流Ｉｒ）は、バイアス部９０が生成していたバイアス電流Ｉｂと逆の方向に流れて当該バイアス電流Ｉｂを打ち消す。さらに、この逆電流Ｉｒを生じさせる磁束（磁束量子Φ０（図９））は、バイアス部９０を含む超伝導ループＮに滞留し続けるため、何らの処置を施さない場合、逆電流Ｉｒはバイアス部９０を逆流し続ける。そうすると、接合部９１に流れるべきバイアス電流Ｉｂが打ち消された状態が持続することとなり、単一磁束量子回路９は、以降に供給される入力パルスに応答できなくなってしまう。
【００１３】
この対策として、特許文献１に記載の単一磁束量子回路９では、磁気結合によって生成するバイアス電流Ｉｂが、順方向（バイアス部９０から接合部９１を介して接地端子Ｇ１へ流れる方向）およびその逆方向に、時分割で交互に流れるような構成としている。
この場合、単一磁束量子回路９は、まずバイアス電流Ｉｂが順方向に流れているタイミングでＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルスを入力する。この場合、単一磁束量子回路９は、正常に動作してＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力パルスを出力する（同時に、バイアス部９０には、上述した逆電流Ｉｒが流れる）。次に、単一磁束量子回路９は、バイアス電流Ｉｂが逆方向に流すタイミングを設け、この処理において、上記出力パルスの出力とともに生じた逆電流Ｉｒをバイアス部９０から逃がす（放出する）処理を行う。具体的には、逆電流Ｉｒとこれに加算されるように印加される（逆方向の）バイアス電流Ｉｂにより、接合部９２が常伝導状態となり、バイアス部９０を含む超伝導ループＮに保持（トラップ）され、逆電流Ｉｒを生じさせていた磁束量子Φ０を外部へ放出する。
このように、特許文献１に記載の単一磁束量子回路９は、入力パルスが入力される毎に、バイアス電流Ｉｂを逆方向に流すことで、バイアス部９０に滞留した磁束を放出し、以降に供給される入力パルスに逐次対応できるようにしている。
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載の単一磁束量子回路は、バイアス電流Ｉｂを順方向及び逆方向に交互に流すため、別途、交流信号の発振源を備える必要がある。この発信源が、上記交流信号を、単一磁束量子回路において期待されるほどの高周波（数ＧＨｚ〜十ＧＨｚオーダ）で生成することは困難であり、実際には、この発振源が出力する交流信号の周波数によって、単一磁束量子回路の動作速度を律速してしまう。また、このような高周波の信号を、超伝導状態が維持される低温領域に入力することは困難である。
また、上述の単一磁束量子回路は、入力パルスに応じて出力パルスを出力する処理と、当該出力パルスにより生じた滞留磁束を放出する処理と、を１クロックごとに交互に繰り返す必要がある。そうすると、この単一磁束量子回路の動作速度は、このような処理を要しないもの（図８に示すような単一磁束量子回路８）と比較して大幅に低下することとなる。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、交流信号を要することなく、静的な消費電力を低減できる単一磁束量子回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、ジョセフソン接合を有し、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値を超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力する接合部と、超伝導特性を有する配線のみからなり、前記接合部に前記臨界電流値以下の直流のバイアス電流を供給するバイアス部と、前記出力パルスが出力された際に生じる電流であって前記バイアス電流と逆の方向に流れる逆電流を受けて、当該逆電流を生じさせる滞留磁束を前記バイアス部から放出する滞留磁束放出部と、を備えることを特徴とする単一磁束量子回路である。
【００１７】
また本発明は、上述の単一磁束量子回路において、前記滞留磁束放出部が、臨界電流値が互いに異なる２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、前記バイアス電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合は、ともに超伝導状態から常伝導状態への状態遷移をせず、前記逆電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合の何れか一方において前記状態遷移がなされることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、上述の単一磁束量子回路において、前記滞留磁束放出部と磁気結合し、当該滞留磁束放出部に循環電流を生じさせる超電導量子干渉素子調整用配線を更に備えることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、ジョセフソン接合を有する接合部が、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値を超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力し、超伝導特性を有する配線のみからなるバイアス部が、前記接合部に前記臨界電流値以下の直流のバイアス電流を供給し、滞留磁束放出部が、前記出力パルスが出力された際に生じる電流であって前記バイアス電流と逆の方向に流れる逆電流を受けて、当該逆電流を生じさせる滞留磁束を前記バイアス部から放出することを特徴とする単一磁束量子回路動作方法である。
【００２０】
また本発明は、上述の単一磁束量子回路動作方法において、臨界電流値が互いに異なる２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子で構成される前記滞留磁束放出部が、前記バイアス電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合のいずれにおいても、超伝導状態から常伝導状態への状態遷移をさせず、前記逆電流が流れる場合には、前記２つのジョセフソン接合の何れか一方において、前記状態遷移をさせることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、磁動作速度を低下させることなく静的な消費電力を低減できる単一磁束量子回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の動作例を説明する図である。
【図３】第１の実施形態に係る滞留磁束放出部の構成及び特性を説明する図である。
【図４】第１の実施形態に係る滞留磁束放出部の作用を説明する第１の図である。
【図５】第１の実施形態に係る滞留磁束放出部の作用を説明する第２の図である。
【図６】第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の構造を説明する第１の図である。
【図７】第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の構造を説明する第２の図である。
【図８】関連する技術に係る単一磁束量子回路の構成を示す図である。
【図９】関連する技術に係る他の単一磁束量子回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、第１の実施形態に係る単一磁束量子回路を、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の構成を示す図である。この図において、符号１は単一磁束量子回路である。図１に示すように、単一磁束量子回路１は、バイアス部１０と、接合部１１と、滞留磁束放出部１２と、を備えている。
【００２４】
図１に示すように、単一磁束量子回路１は、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１（Ｔ３）と、ＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２（Ｔ４）とが設けられ、これらを任意に接続して組み合わせることで所望のデジタル回路を構成することができる。単一磁束量子回路１は、例えば、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルス信号を入力すると、これに応じてＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力パルス信号を出力する。
なお、図１に示す単一磁束量子回路１の各配線は、例えばＮｂ（ニオブ）で形成され、液体ヘリウム等を用いて約４Ｋに維持されることで超伝導状態となっている。また、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１（Ｔ３）とＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２（Ｔ４）の超伝導配線の寄生インダクタンス成分をインダクタＬ１で示している。
【００２５】
バイアス部１０は、超伝導特性を有する配線のみからなり、後述する接合部１１に臨界電流値Ｉｃ以下の直流のバイアス電流Ｉｂを供給する。より具体的に説明すると、バイアス部１０は、図１に示す接地点Ｇ１から滞留磁束放出部１２、接合部１１及び接地点Ｇ２を経由して形成される超伝導ループＮ（図１）の一部をなしている（接地点Ｇ１、Ｇ２間は超伝導体からなる接地プレーン層（図示せず）により短絡されている）。図１に示すように、バイアス部１０は、直流の励起電流Ｉｂ’が流れる電源用配線２と磁気結合するように配されており、電源用配線２を流れる直流の励起電流Ｉｂ’によって超伝導ループＮ内に生じようとする磁束を打ち消すように、超伝導ループＮを循環する直流の遮蔽電流が流れる。本実施形態においては、この遮蔽電流を、接合部１１への直流のバイアス電流Ｉｂとして利用する。
また、バイアス電流Ｉｂは、接合部１１（ジョセフソン接合）の臨界電流値Ｉｃ以下に調整されている。バイアス電流Ｉｂは、電源用配線２に流す励起電流Ｉｂ’によって調整可能であり、通常は、最も大きい遮蔽電流が得られる状態（超伝導ループ内を貫こうとする磁束がΦ０／２（二分のΦ０）となる状態）に設定される。
【００２６】
接合部１１は、ジョセフソン接合を有して構成される。接合部１１は、入力パルスが供給されて自身を流れる電流が臨界電流値Ｉｃを超えた場合に、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移して出力パルスを出力する。
なお、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルスが入力されない状態においては、上述したように、接合部１１には、バイアス部１０の磁気結合によって生じるバイアス電流Ｉｂ（≦臨界電流値Ｉｃ）が流れている。この静的状態において、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルスが供給されると、接合部１１に流れる電流が臨界電流値Ｉｃを上回り、常伝導状態へと状態遷移する。このとき、接合部１１及びインダクタＬ１を含む超伝導ループ（超伝導ループＭ）内に保持（トラップ）されていた磁束（磁束量子Φ０）が、常伝導状態へと状態遷移した接合部１１を通過して、後段の単一磁束量子回路１（図１右側）に移動し、出力パルスがＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力される。
【００２７】
滞留磁束放出部１２は、出力パルスが出力された際に生じる電流であってバイアス電流Ｉｂと逆の方向に流れる逆電流Ｉｒ（図２）を受けて、当該逆電流Ｉｒを生じさせる滞留磁束Φｒ（図２）をバイアス部１０から放出する。滞留磁束放出部１２は、１つの超伝導リング及び２つのジョセフソン接合を有してなる超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）で構成される。
また、滞留磁束放出部１２は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）調整用配線３と磁気結合するように配されている。このＳＱＵＩＤ調整用配線３には直流の調整電流Ｉｓｑ’が流れている。滞留磁束放出部１２は、調整電流Ｉｓｑ’によって生じようとする磁束Φｅｘｔを打ち消すように所定の遮蔽電流が循環している。滞留磁束放出部１２のより詳細な構成及び機能については後述する。
【００２８】
図２は、第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の動作例を説明する図である。
以下、単一磁束量子回路１の動作の流れについて、図２を参照しながら説明する。
まず、接合部１１にバイアス電流Ｉｂが流れている静的状態において、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から入力パルスＶｉｎ（図２）が入力される。このとき、磁束量子Φ０がインダクタＬ１及び接合部１１を含む超伝導ループＭ内にトラップされる。ここで、磁束量子Φ０とは、超伝導ループを貫く磁束の最小単位である。このとき、接合部１１において、バイアス電流Ｉｂに、上記トラップされた磁束量子Φ０に基づく入力パルス電流Ｉｐ１（超伝導ループＭを循環する電流）が加わる。
【００２９】
そうすると、接合部１１に流れる電流は、バイアス電流Ｉｂに上記入力パルス電流Ｉｐ１が加算されて、臨界電流値Ｉｃを上回る。接合部１１は、自身に流れる電流（Ｉｂ＋Ｉｐ１）が臨界電流値Ｉｃを上回ると、超伝導状態から常伝導状態へと状態遷移する。さらに、接合部１１が常伝導状態へと状態遷移すると、その接合部１１において磁束が通過可能となり、超伝導ループＭ内にトラップされていた磁束量子Φ０が、接合部１１を通過して、後段の単一磁束量子回路１における超伝導ループＭ’へと移動する（図２）。このとき、接合部１１からパルス電圧Ｖｏｕｔが生成され、これが出力パルスとしてＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力される。
【００３０】
磁束量子Φ０が、後段の超伝導ループＭ内にトラップされると、ＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２の方向へ後段の超伝導ループＭ’を流れる出力パルス電流Ｉｐ２が流れる。これと同時に、超伝導ループＭ’と並列に接続されている超伝導ループＮ内にも磁束Φｒ（＝磁束量子Φ０）（図２）がトラップされる。この磁束Φｒは、超伝導ループＮに対し、バイアス電流Ｉｂと逆方向に流れる逆電流Ｉｒを生じさせる。
【００３１】
ここで、単一磁束量子回路１が、後述する滞留磁束放出部１２を具備しない場合を仮定する。
バイアス部１０を含む超伝導ループＮ内にトラップされた磁束Φｒは、超伝導ループＮ内に滞留する（以下、磁束Φｒを滞留磁束Φｒと記載する）。滞留磁束Φｒは、超伝導ループＮにおいて、バイアス電流Ｉｂを打ち消して、さらに逆電流Ｉｒを生じさせる。
この状態において、ＩＮＰＵＴ端子Ｔ１から次の入力パルスＶｉｎが入力された場合を考える。この場合、バイアス電流Ｉｂが逆電流Ｉｒにより打ち消されているので、入力パルスＶｉｎに基づく入力パルス電流が加算されても、接合部１１において臨界電流値Ｉｃを上回ることができない。そうすると、入力パルスＶｉｎに応じて出力パルスＶｏｕｔが出力されず、単一磁束量子回路として機能しないこととなる。つまり、滞留磁束放出部１２を具備しない単一磁束量子回路１は、最初の入力パルスＶｉｎに対しては正常に動作して出力パルスＶｏｕｔを出力するが、２回目の入力パルスＶｉｎに対しては、１回目の動作の際に生じた滞留磁束Φｒ及び逆電流Ｉｒが存在する影響で、正常に動作しなくなる。
【００３２】
なお、上述したように、最初に流れているバイアス電流Ｉｂは、超伝導ループＮにおいて最大の遮蔽電流が得られるように印加されたΦ０／２の磁束に基づいて生じる電流である。
一方、滞留磁束Φｒの向きは、バイアス電流Ｉｂを生じさせる磁束Φ０／２とは逆方向に生じる磁束であるから、逆電流Ｉｒは、Φ０／２−Φｒ（Φ０）＝−Φ０／２の磁束に基づいて生じる電流となる。つまり、逆電流Ｉｒはバイアス電流Ｉｂと逆方向に流れるが、その大きさは、バイアス電流Ｉｂとほぼ同等の大きさとなる（｜Ｉｂ｜≒｜Ｉｒ｜）。
【００３３】
図３は、第１の実施形態に係る滞留磁束放出部の構成及び特性を説明する図である。
次に、上述の問題を解決するために備えられた滞留磁束放出部１２の構成及び特性について、図３を参照しながら詳細に説明する。
図３（ａ）に示すように、滞留磁束放出部１２は、超伝導リング１２０と、ジョセフソン接合を有する２つの接合部１２１、１２２とで構成されるＳＱＵＩＤである。ただし、接合部１２１、接合部１２２におけるそれぞれの臨界電流値Ｉｃ１、Ｉｃ２は、互いに異なるように構成されている（本実施形態においては、Ｉｃ１＞Ｉｃ２とする）。
なお、静的状態におけるバイアス部１０は、滞留磁束放出部１２に対し、図３に示す点Ａから点Ｂに向けてバイアス電流Ｉｂを流す。
【００３４】
また、図３（ａ）及び図１に示すように、滞留磁束放出部１２の超伝導リング１２０は、ＳＱＵＩＤ調整用配線３と磁気結合するように配されている。ＳＱＵＩＤ調整用配線３を流れる直流の調整用電流Ｉｓｑ’によって超伝導リング１２０内に生じようとする磁束Φｅｘｔを打ち消すように、超伝導リング１２０を循環する直流の遮蔽電流（ＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑ）が流れている。このとき、循環電流Ｉｓｑは、接合部１２１において点Ａ側から点Ｂ側（順方向）に、接合部１２２において点Ｂ側から点Ａ側（逆方向）に流れる（図３（ａ））。
【００３５】
図３（ａ）に示した構成の滞留磁束放出部１２の点ＡＢ間の電圧Ｖに対する電流Ｉの特性を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すグラフにおいて、電流Ｉは、点Ａから点Ｂに流れる向きを正としている。
電流Ｉが点Ａから点Ｂに向けて順方向に流れる場合、この電流Ｉ（＞０）は接合部１２１を流れるＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑに加算される。したがって、ＩｓｑとＩが接合部１２１の臨界電流値Ｉｃ１を上回った場合に、接合部１２１は常伝導状態に遷移して電位差が発生する。なお、このときの電流Ｉを“Ｉｃ＋”とする。
一方、電流Ｉが点Ｂから点Ａに向けて逆方向に流れる場合、この電流Ｉ（＜０）は接合部１２２を流れるＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑに加算される。したがって、ＩｓｑとＩが接合部１２２の臨界電流値Ｉｃ２を上回った場合に、接合部１２２は常伝導状態に遷移して電位差が発生する。なお、このときの電流Ｉを“Ｉｃ−”とする。
【００３６】
ここで、上述したように、接合部１２１の臨界電流値Ｉｃ１は、接合部１２２の臨界電流値Ｉｃ２よりも高い値に設定されている。そうすると、それぞれの接合部において臨界電流値に達する電流Ｉｃ＋、Ｉｃ−は、図３（ｂ）に示すように、Ｉｃ＋＞Ｉｃ−となる。
滞留磁束放出部１２は、以上のように、電流の向きに対して非対称な特性を有する非対称ＳＱＵＩＤを構成している。
【００３７】
次に、再度、図２を参照しながら、図３に示した滞留磁束放出部１２が機能している場合の単一磁束量子回路１の動作について説明する。
まず、静的状態において、バイアス部１０は、滞留磁束放出部１２に対し、バイアス電流Ｉｂを順方向（図３（ａ）に示す点Ａから点Ｂ）に流している。ここで、滞留磁束放出部１２は、図３（ｂ）に示すように、Ｉｃ＋＞Ｉｂとなるように調整されている。したがって、滞留磁束放出部１２は、バイアス電流Ｉｂによって常伝導状態に遷移することはなく、単に、超伝導特性を有する配線として機能する。
【００３８】
単一磁束量子回路１のＩＮＰＵＴ端子Ｔ１に入力パルスＶｉｎが供給されると、接合部１１に流れる電流が接合部１１の臨界電流値Ｉｃを上回って出力パルスがＯＵＴＰＵＴ端子Ｔ２から出力され、このとき、滞留磁束Φｒが超伝導ループＮ内に滞留する。上述したように、この滞留磁束Φｒは、逆電流Ｉｒ（｜Ｉｒ｜≒｜Ｉｂ｜）を生じさせる。
ここで、滞留磁束放出部１２は、図３（ｂ）に示すように、Ｉｃ−＜Ｉｒとなるように調整されている。したがって、滞留磁束放出部１２は、逆電流Ｉｒが供給されると、接合部１２２において常伝導状態へと状態遷移する。これにより、超伝導ループＮ内に滞留しようとする磁束Φｒは、接合部１２２を介して外部に放出される。
【００３９】
以上のように、滞留磁束放出部１２は、図３（ａ）、（ｂ）に示した構成及び特性に基づいて、バイアス電流Ｉｂに対しては超伝導状態を維持しながらも、出力パルスＶｏｕｔを出力した際に生じる逆電流Ｉｒに対しては常伝導状態に状態遷移して、その逆電流Ｉｒを生じさせる滞留磁束Φｒを外部へ放出するように機能する。
よって、単一磁束量子回路１は、出力パルスＶｏｕｔを出力した後も、超伝導ループＮに滞留磁束Φｒが滞留しなくなるので、次の入力パルスＶｉｎが供給された際にも正常に動作することができる。
【００４０】
図４、図５は、第１の実施形態に係る滞留磁束放出部の作用を説明する第１の図、第２の図である。
図４は、図２において、滞留磁束放出部１２を具備しない場合における単一磁束量子回路１の入出力特性を示したグラフ図である。図５は、図２において、滞留磁束放出部１２が機能する場合における単一磁束量子回路１の入出力特性を示したグラフ図である。
図４、図５のグラフの横軸は時間［ｐｓ］で、縦軸は、入力パルスＶｉｎ、出力パルスＶｏｕｔの電圧値［ｍＶ］及び接合部１１に流れる電流Ｉ［ｍＡ］を示している。なお、電流値Ｉは、順方向に流れる電流値を正として示す。
【００４１】
滞留磁束放出部１２を具備しない場合、図４に示すように、単一磁束量子回路１は、１回目に供給された入力パルスＶｉｎに対しては、出力パルスＶｏｕｔを出力している。ただし、出力パルスＶｏｕｔを出力した際、同時に電流Ｉが逆方向に流れている（逆電流Ｉｒの発生）。よって、単一磁束量子回路１は、この後に入力される２回目の入力パルスＶｉｎに対しては、出力パルスＶｏｕｔを出力できない。
【００４２】
一方、滞留磁束放出部１２が機能する場合、図５に示すように、単一磁束量子回路１は、図４と同様に、１回目に供給された入力パルスＶｉｎに対して出力パルスＶｏｕｔを出力する。この瞬間、バイアス部１０に逆電流Ｉｒが流れるが、滞留磁束放出部１２の接合部１２２（図３（ａ））が逆電流Ｉｒを受けて状態遷移し、この逆電流Ｉｒを生じさせる滞留磁束Φｒをバイアス部１０から放出する。よって、逆電流Ｉｒは消失し、すぐにバイアス部１０による順方向の電流（バイアス電流Ｉｂ）が流れ始める。単一磁束量子回路１は、この後に入力される２回目以降の入力パルスＶｉｎに対しても、出力パルスＶｏｕｔを出力できている。
【００４３】
図６、図７は、第１の実施形態に係る単一磁束量子回路の構造を説明する第１の図、第２の図である。
次に、本実施形態による単一磁束量子回路１の具体的な構造の一例について、図６及び図７を参照しながら説明する。本実施形態においては、バイアス部１０、接合部１１、滞留磁束放出部１２、及び各種配線は、同一基板上に、所定の温度以下で超伝導状態となる材料で形成された層（以下、例として「ニオブ配線層」とする）と、絶縁層と、を多層成膜することで形成される。各ニオブ配線層及び絶縁層は、例えばそれぞれ３００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の膜厚で積層される。
【００４４】
図６は、上記基板を上から平面視した際の構造を示している。この図においては、基板上側を紙面手前側、基板下側を紙面奥手側に表している。図６は、２つの単一磁束量子回路１が接続されている構造を示している。
図７は、図６に示した構造の層構造を示す図である。
【００４５】
基板上にはニオブ配線層が、絶縁層を介しながら三層形成されている。図７に示すように、各ニオブ配線層は、下層（図６における紙面奥手側）から順に、接地プレーン層（Ｇ）、ＢＡＳ層（ＢＡＳ１、ＢＡＳ２）、ＣＯＵ層（ＣＯＵ１〜ＣＯＵ３）と、積層されている。接地プレーン層（Ｇ）は、基板全面を覆うように形成されていて、単一磁束量子回路１の接地電位（基準電位）を与えるものである。また、ＢＡＳ層、ＣＯＵ層は、図６に示すような配線パターンにパターニングされて、単一磁束量子回路１の回路を構成する層である。なお、ＣＯＵ２は、バイアス部１０における電源用配線２を構成し、ＣＯＵ３は、滞留磁束放出部１２におけるＳＱＵＩＤ調整用配線３を構成している。また、ＢＡＳ層及びＣＯＵ層の各配線パターンは、配線幅が３μｍ〜５μｍ程度で引き回されている。
【００４６】
また、各ニオブ配線層は、諸所においてコンタクトが設けられて、当該コンタクトを介して各層ごとに電気的に接続されている。グラウンドコンタクト（ＧＣ１、ＧＣ２）は、ＢＡＳ層と接地プレーン層を電気的に短絡するコンタクトである（図７）。ＧＣ１、ＧＣ２は、それぞれ図１（図２）における接地点Ｇ１、Ｇ２に対応している。ジョセフソン接合（ＪＪ１、ＪＪ２、ＪＪ３）は、ＢＡＳ層とＣＯＵ層を所定の抵抗膜で接続したコンタクトである（図７）。上述した各コンタクトは、いずれも１．５μｍ２〜３μｍ２程度で形成される。ＪＪ１は、図１（図２）における接合部１１に、ＪＪ２、ＪＪ３は、図３における接合部１２１、１２２にそれぞれ対応している。
【００４７】
図６に示すように、ＢＡＳ１は、その一部（磁気結合部α）が絶縁層を介してＣＯＵ２（電源用配線２）と重なるように配されてバイアス部１０を形成する。バイアス部１０は、ＣＯＵ２（電源用配線２）を流れる励起電流Ｉｂ’に基づき、ＪＪ１（接合部１１）にバイアス電流Ｉｂを供給する。バイアス電流Ｉｂの流れる向きは、ＣＯＵ１→ＪＪ１→ＢＡＳ２となる。
ＪＪ１（接合部１１）は、ＣＯＵ１とＢＡＳ２の間に設けられたジョセフソン接合である。
【００４８】
図６に示すように、ＢＡＳ１及びＣＯＵ１は超伝導リング（超伝導リング１２０）を形成する。ＢＡＳ１と、ＣＯＵ１との間には、ＪＪ２（接合部１２１）と、ＪＪ３（接合部１２２）と、が設けられ、滞留磁束放出部１２を形成する。ここで、上述したように、ＪＪ２、ＪＪ３の各臨界電流値Ｉｃ１、Ｉｃ２はＩｃ１＞Ｉｃ２の関係を満たすように形成されている。
また、ＢＡＳ１は、その一部（磁気結合部β）が絶縁層を介してＣＯＵ３（ＳＱＵＩＤ調整用配線３）と重なるように配されている。滞留磁束放出部１２は、ＣＯＵ３を流れる調整電流Ｉｓｑ’に基づき、滞留磁束放出部１２にＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑを生じさせる。このＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑは、滞留磁束放出部１２を、ＢＡＳ１→ＪＪ２→ＣＯＵ１→ＪＪ３→ＢＡＳ１と循環する。
【００４９】
なお上述した超伝導ループＭは、例えば、図６左側のＧＣ２からＢＡＳ２、ＪＪ１、ＣＯＵ１を経由して、後段（図６右側）のＪＪ１、ＢＡＳ２、ＧＣ２、及び接地プレーン層Ｇをもって形成される。
また、バイアス部１０を含む超伝導ループＮは、ＧＣ１からＢＡＳ１、ＪＪ２（ＪＪ３）、ＣＯＵ１、ＪＪ１、ＢＡＳ２、ＧＣ２及び接地プレーン層Ｇをもって形成される。
【００５０】
なお、図６に示すように、滞留磁束放出部１２は、可能な限り小型化し、バイアス電流Ｉｂが流れる超伝導ループＮ（図１）の経路を短くしておくのが好ましい。このようにすることで、配線に寄生するインダクタ成分を低減することができ、したがって、励起電流Ｉｂ’に基づいて高いバイアス電流Ｉｂを得ることができる。
【００５１】
第１の実施形態に係る単一磁束量子回路によれば、次のような効果を得ることができる。
単一磁束量子回路１は、バイアス回路に抵抗素子を用いていないため、バイアス電流Ｉｂが流れているときも、静的状態における消費電流はゼロとなる。したがって、抵抗素子を用いてバイアス回路を構成した場合に比べて、静的消費電力Ｐｓを大幅に低減することができる。
また、本実施形態に係る単一磁束量子回路は、交流の信号を用いず、全て直流電流をもって駆動する。したがって、この交流信号を生成するための発振源を別途備える必要がなく、発振源が出力可能な交流信号の周波数によって、単一磁束量子回路の動作速度を律速させてしまうこともない。
【００５２】
以上、第１の実施形態に係る単一磁束量子回路によれば、交流信号を要することなく静的な消費電力を低減できる。
【００５３】
なお、上述した単一磁束量子回路１においては、ＳＱＵＩＤ調整用配線３と磁気結合するように配されたＳＱＵＩＤ調整用配線３に所定の電流（ＳＱＵＩＤ調整電流Ｉｓｑ’）を流すことで、滞留磁束放出部１２を構成するＳＱＵＩＤに循環電流（ＳＱＵＩＤ循環電流Ｉｓｑ）を生じさせる態様としている。しかし、第１の実施形態の変形例に係る単一磁束量子回路においては、このような態様に限定されない。例えば、当該変形例に係る単一磁束量子回路は、別途の磁束生成手段を備え、当該磁束生成手段により磁束Φｅｘｔを生成し、これを滞留磁束放出部１２に印加させることで循環電流を生じさせる態様であってもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・単一磁束量子回路
１０・・・バイアス部
１１・・・接合部
１２・・・滞留磁束放出部
１２０・・・超伝導リング
１２１、１２２・・・接合部
２・・・電源用配線
３・・・ＳＱＵＩＤ調整用配線
【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】
2015050512.tif 000008
【図７】
2015050512.tif 000009
【図８】
2015050512.tif 000010
【図９】
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