(57)【要約】【課題】直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一チップ内あるいは直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一温度の近傍に配置することができ、直流バイアス電流の最適値への精密な制御と、超電導回路を含むシステムの簡略化を図ることができる直流バイアス電流制御回路を提供する。【解決手段】超電導回路１０に直流バイアス電流ＩＢを供給する直流バイアス電流線１２に磁界結合されたフィードバックループ２５と、直流バイアス電流ＩＢを検出し、直流バイアス電流ＩＢの最適値からの変化分を打ち消すために必要な単一磁束量子をフィードバックループ２５に供給するフィードバックループ制御回路（超電導コイル１４、ＤＲＯＳ１５、インダクタ２３、抵抗２４、インダクタ３３、３４）を設ける。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導回路に供給する直流バイアス電流を最適値に制御する直流バイアス電流制御回路であって、
前記超電導回路に前記直流バイアス電流を供給する直流バイアス電流線に磁界結合されたフィードバックループと、
前記直流バイアス電流を検出し、前記直流バイアス電流の最適値からの変化分を打ち消すために必要な単一磁束量子を前記フィードバックループに供給するフィードバックループ制御回路を有することを特徴とする直流バイアス電流制御回路。
【請求項２】
前記フィードバックループ制御回路は、ダブル・リラクセイション・オシレーション・スクイドからなる直流バイアス電流検出回路を有することを特徴とする請求項１記載の直流バイアス電流制御回路。
【請求項３】
前記フィードバックループ制御回路は、前記直流バイアス電流検出回路の後段に前記単一磁束量子を前記フィードバックループに転送するジョセフソン・トランスミッション・ラインを有することを特徴とする請求項２記載の直流バイアス電流制御回路。
【請求項４】
前記フィードバックループ制御回路は、交流駆動スクイドを有する直流バイアス電流検出回路と、該直流バイアス電流検出回路の検出値に対応した単一磁束量子を発生し、該単一磁束量子を前記フィードバックループに転送するモード遷移型のゲートを有することを特徴とする請求項１記載の直流バイアス電流制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導回路に供給する直流バイアス電流を最適値に制御する直流バイアス電流制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導回路のうち、バイアス電流として直流バイアス電流を必要とするＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ：超電導量子干渉素子）磁束計や、ＳＦＱ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕａｎｔｕｍ：単一磁束量子）回路や、超電導サンプル回路や、超電導アナログ／デジタル変換回路などの超電導回路においては、直流バイアス電流を最適値に制御する必要がある。
【０００３】
しかしながら、従来、超電導回路に供給する直流バイアス電流を最適値に制御するための直流バイアス電流制御回路は提案されていない。なお、ＳＱＵＩＤ磁束計にバイアス電流として交流バイアス電流を供給し、この交流バイアス電流のピーク値を制御する技術については既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、超電導回路の直流バイアス電流制御回路として、例えば、図４に示すようなものを考えることができる。図４中、１は直流バイアス電流を必要とする超電導回路、２は超電導回路１に直流バイアス電流ＩＢを供給する可変直流電流源、３は可変直流電流源２を制御して超電導回路１に供給する直流バイアス電流ＩＢを一定値に制御する直流バイアス電流制御回路である。
【０００５】
また、直流バイアス電流制御回路３において、４は直流バイアス電流ＩＢを検出する電流センサ、５は電流センサ４から出力される直流バイアス電流検出信号を入力して制御信号を可変直流電流源２に供給して直流バイアス電流ＩＢを最適値に制御する制御信号発生回路である。なお、電流センサ４から出力される直流バイアス電流検出信号をＡ／Ｄ変換回路６でデジタル変換し、ＣＰＵ７及びＤ／Ａ変換回路８を介して直流バイアス電流ＩＢを制御する方法も考えられる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２３００９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す直流バイアス電流制御回路３においては、電流センサ４は、超電導回路１と共に極低温領域９内に配置し、制御信号発生回路５は、極低温領域９外に配置する必要がある。このため、システムが複雑化してしまうという問題点があると共に、制御信号発生回路５に与える電流センサ４からの直流バイアス電流検出信号にノイズが重畳されてしまい、直流バイアス電流ＩＢを最適値に精密に制御することができないという問題点がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑み、直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一チップ内あるいは直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一温度の近傍に配置することができ、直流バイアス電流の最適値への精密な制御と、超電導回路を含むシステムの簡略化を図ることができる直流バイアス電流制御回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超電導回路に供給する直流バイアス電流を最適値に制御する直流バイアス電流制御回路であって、超電導回路に直流バイアス電流を供給する直流バイアス電流線に磁界結合されたフィードバックループと、直流バイアス電流を検出し、直流バイアス電流の最適値からの変化分を打ち消すために必要な単一磁束量子をフィードバックループに供給するフィードバックループ制御回路を有するというものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態〜第３実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態・・図１）
図１は本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１中、１０は直流バイアスを必要とする超電導回路、１１は極低温領域外に配置された直流バイアス電流源（図示せず）から出力される直流バイアス電流ＩＢを入力するための直流バイアス電流入力端子、１２は直流バイアス電流ＩＢを超電導回路１０に供給する直流バイアス電流線、１３は超電導回路１０に供給する直流バイアス電流ＩＢを最適値に制御する本発明の第１実施形態である。
【００１２】
本発明の第１実施形態１３において、１４は一定の磁束φｒｅｆが差交し、一定の基準電流Ｉｒｅｆが流れるようにされた超電導コイル、１５は直流バイアス電流ＩＢを検出する電流検出回路をなすＤＲＯＳ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ＳＱＵＩＤ）であり、１６、１７はＳＱＵＩＤ、１８〜２１はジョセフソン接合である。本実施形態では、ＳＱＵＩＤ１６を直流バイアス電流線１２に相互インダクタンスＭｕで磁界結合させ、ＳＱＵＩＤ１７を超電導コイル１４に相互インダクタンスＭｄで磁界結合させている。
【００１３】
２２は直流バイアス電流入力端子、２３はインダクタ、２４は抵抗であり、直流バイアス電流入力端子２２に適当な直流バイアスをかけると、インダクタ２３のインダクタンスをＬ１、抵抗２４の抵抗値をＲ１とした場合、Ｌ１／Ｒ１の周波数でノードＶに単一磁束量子が発生する。
【００１４】
２５は自己インダクタンスをＬＦＢとするフィードバックループであり、２６は直流バイアス電流線１２に相互インダクタンスＭＦＢで磁界結合されたインダクタ、２７、２８はＳＱＵＩＤ、２９〜３２はジョセフソン接合である。このフィードバックループ２５は、単一磁束量子を蓄積し、直流バイアス電流ＩＢの変化を打ち消すための電流を直流バイアス電流線１２に与えるためのものである。
【００１５】
３３はＳＱＵＩＤ１６から出力される単一磁束量子をＳＱＵＩＤ２７を介してフィードバックループ２５に導入するためのインダクタ、３４はＳＱＵＩＤ１７から出力される単一磁束量子をＳＱＵＩＤ２８を介してフィードバックループ２５に導入するためのインダクタである。本発明の第１実施形態１３では、ＳＱＵＩＤ３３から出力される単一磁束量子とＳＱＵＩＤ３４から出力される単一磁束量子は、互いに逆向きにフィードバックループ２５に導入される。
【００１６】
なお、本発明の第１実施形態１３においては、超電導コイル１４と、ＤＲＯＳ１５と、インダクタ２３及び抵抗２４と、インダクタ３３、３４とで、フィードバックループ２５を制御するフィードバックループ制御回路が構成されている。
【００１７】
このように構成された本発明の第１実施形態１３においては、直流バイアス電流線１２とＳＱＵＩＤ１６は相互インダクタンスＭｕで磁界結合されているので、ＳＱＵＩＤ１６を流れる電流Ｉａは直流バイアス電流ＩＢによる誘導電流が足し合わされたものとなる。また、超電導コイル１４とＳＱＵＩＤ１７は相互インダクタンスＭｄで磁界結合されているので、ＳＱＵＩＤ１７を流れる電流Ｉｂは基準電流Ｉｒｅｆによる誘導電流が足し合わされたものとなる。
【００１８】
ここで、Ｉａ＜Ｉｂの時は、ＳＱＵＩＤ１６は超電導状態を保持し、ＳＱＵＩＤ１７は電圧状態に遷移して単一磁束量子を出力する。この単一磁束量子は、インダクタ３４及びＳＱＵＩＤ２８を介してフィードバックループ２５に導入される。これに対して、Ｉａ＞Ｉｂの時は、ＳＱＵＩＤ１７は超電導状態を保持し、ＳＱＵＩＤ１６は電圧状態に遷移して単一磁束量子を出力する。この単一磁束量子は、インダクタ３３及びＳＱＵＩＤ２７を介してフィードバックループ２５に導入される。
【００１９】
したがって、直流バイアス電流ＩＢとリファレンス電流Ｉｒｅｆとの差によってＳＱＵＩＤ１６、１７のいずれかで単一磁束量子が発生することになるが、ＳＱＵＩＤ１６、１７のいずれかで単一磁束量子が発生するごとに、フィードバックループ２５に単一磁束量子が溜まったり、引き抜かれたりすることになる。
【００２０】
ここで、フィードバックループ２５内を流れる電流は、±ｎφ０／ＬＦＢ（但し、ｎはフィードバックループ２５内の単一磁束量子数、φ０＝２．０７×１０−１５［Ｗｂ］）となるから、直流バイアス電流ＩＢは、フィードバックループ２５内を流れる電流（±ｎφ０／ＬＦＢ）による誘導電流（±ｎφ０×ＭＦＢ／ＬＦＢ）が足し合わされることになり、直流バイアス電流ＩＢは最適値に制御される。
【００２１】
本発明の第１実施形態１３は、超電導回路１０と同一チップ内あるいは超電導回路１０と同一温度の近傍に配置することができ、極低温領域外からの制御を必要としないので、本発明の第１実施形態１３によれば、直流バイアス電流ＩＢの最適値への精密な制御と、超電導回路１０を含むシステムの簡略化を図ることができる。
【００２２】
（第２実施形態・・図２）
図２は本発明の第２実施形態を示す回路図である。本発明の第２実施形態３５は、本発明の第１実施形態１３が設けるフィードバックループ２５及びインダクタ３３、３４の代わりに、フィードバックループ３６及びＪＴＬ（ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）３７、３８を設け、その他については、本発明の第１実施形態と同様に構成したものである。
【００２３】
フィードバックループ３６は、本発明の第１実施形態が設けるフィードバックループ２５と同様に、直流バイアス電流線１２に相互インダクタンスＭＦＢで磁界結合されたフィードバックループであり、直流バイアス電流ＩＢの変化を打ち消すための電流を直流バイアス電流線１２に与えるためのものである。
【００２４】
ＪＴＬ３７はＳＱＵＩＤ１６で発生した単一磁束量子をフィードバックループ３６に転送するためのものであり、３９、４０はインダクタ、４１、４２はジョセフソン接合である。ＪＴＬ３８はＳＱＵＩＤ１７で発生した単一磁束量子をフィードバックループ３６に転送するためのものであり、４３、４４はインダクタ、４５、４６はジョセフソン接合である。本発明の第２実施形態３５においても、ＳＱＵＩＤ１６から出力される単一磁束量子とＳＱＵＩＤ１７から出力される単一磁束量子は、互いに逆向きにフィードバックループ３６に導入される。
【００２５】
なお、本発明の第２実施形態３５においては、超電導コイル１４と、ＤＲＯＳ１５と、インダクタ２３及び抵抗２４と、ＪＴＬ３７、３８とでフィードバックループ３６を制御するフィードバックループ制御回路が構成されている。
【００２６】
したがって、本発明の第２実施形態３５においても、直流バイアス電流ＩＢとリファレンス電流Ｉｒｅｆとの差によってＳＱＵＩＤ１６、１７のいずれかで単一磁束量子が発生することになるが、ＳＱＵＩＤ１６、１７のいずれかで単一磁束量子が発生するごとに、フィードバックループ３６に単一磁束量子が溜まったり、引き抜かれたりして、直流バイアス電流ＩＢは最適値に制御される。
【００２７】
本発明の第２実施形態３５は、本発明の第１実施形態１３と同様に、超電導回路１０と同一チップ内あるいは超電導回路１０と同一温度の近傍に配置することができ、極低温領域外からの制御を必要としない。したがって、本発明の第２実施形態３５によっても、直流バイアス電流ＩＢの最適値への精密な制御と、超電導回路１０を含むシステムの簡略化を図ることができる。
【００２８】
（第３実施形態・・図３）
図３は本発明の第３実施形態を示す回路図である。本発明の第３実施形態４７において、４８は直流バイアス電流線１２に相互インダクタンスＭＦＢで磁界結合されたフィードバックループであり、直流バイアス電流ＩＢの変化を打ち消すための電流を直流バイアス電流線１２に与えるためのものである。
【００２９】
４９は直流バイアス電流ＩＢを検出する電流検出回路をなす非対称のＳＱＵＩＤであり、５０、５１はジョセフソン接合、５２は交流バイアス電流Ｉａｃを入力する交流バイアス電流入力端子である。このように、ＳＱＵＩＤ４９は、交流駆動されるものであり、直流バイアス電流線１２及び超電導コイル１４と磁界結合され、直流バイアス電流ＩＢによる誘導電流と基準電流Ｉｒｅｆによる誘導電流の向きが逆になるようにされている。なお、破線５３で囲む部分は、ＳＱＵＩＤ４９の閾値特性を示しており、Ｍは直流バイアス電流線１２とＳＱＵＩＤ４９との間の相互インダクタンスである。
【００３０】
５４はＳＱＵＩＤ４９で発生する電圧を電流に変換する抵抗、５５は抵抗５４を流れてくる電流に対応した単一磁束量子を発生するモード遷移型のゲートであり、５６、５７は相互インダクタンスＭｇで磁界結合されたインダクタ、５８、５９はジョセフソン接合である。なお、破線６０で囲む部分はゲート５５の閾値特性である。
【００３１】
なお、本発明の第３実施形態４７においては、超電導コイル１４と、ＳＱＵＩＤ４９と、抵抗５４と、モード遷移型のゲート５５とで、フィードバックループ４８を制御するフィードバックループ制御回路が構成されている。
【００３２】
本発明の第３実施形態４７においては、直流バイアス電流ＩＢとリファレンス電流Ｉｒｅｆとの差によって、ＳＱＵＩＤ４９から正又は負の電圧パルスが発生し、この電圧パルスによってインダクタ５６に流れる電流によりゲート５５から正又は負の単一磁束量子が発生し、これがフィードバックループ４８に導入され、直流バイアス電流ＩＢは最適値に制御される。
【００３３】
本発明の第３実施形態４７は、本発明の第１実施形態１３と同様に、超電導回路１０と同一チップ内あるいは超電導回路１０と同一温度の近傍に配置することができ、極低温領域外からの制御を必要としない。したがって、本発明の第３実施形態４７によっても、直流バイアス電流ＩＢの最適値への精密な制御と、超電導回路１０を含むシステムの簡略化を図ることができる。
【００３４】
なお、本発明の第１実施形態〜第３実施形態では、フィードバックループ２５、３６、４８を流れる電流（±ｎφ０／ＬＦＢ）により直流バイアス電流線１２に発生する誘導電流は、±ｎφ０×ＭＦＢ／ＬＦＢとなるので、ＭＦＢ／ＬＦＢの値を大きくするほど制御電流の分解能を上げることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一チップ内あるいは直流バイアス電流を必要とする超電導回路と同一温度の近傍に配置することができ、極低温領域外からの制御を必要としないので、本発明によれば、直流バイアス電流の最適値への精密な制御と、超電導回路を含むシステムの簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】直流バイアス電流制御回路の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１…直流バイアス電流入力端子
１４…超電導コイル
２２…直流バイアス電流入力端子
５２…交流バイアス電流入力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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