(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記複数の分岐線路に分割させた上記成分間位相差ソリトンの少なくとも一つを選択的に消失させることで、他の成分間位相差ソリトンをそれぞれが走行する上記分岐線路に選択的に留めること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項２】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記複数の分岐線路の長さを互いに異ならせ、該複数の分岐線路の長さの比で定まる該各分岐線路中の上記各成分間位相差ソリトンの各往復回数毎にのみ、上記分岐端に戻ってきた複数の上記成分間位相差ソリトンを再び該基幹線路中に伝搬させて行くこと；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項３】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
少なくとも一本の上記分岐線路に上記成分間位相差ソリトンが存在している状況下で、他のどれか一つまたは複数の上記分岐線路に成分間位相差ソリトンを選択的に撃ち込むことで、そのときにのみ上記基幹線路中に選択的に、融合した結果の成分間位相差ソリトンを送り込むこと；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項４】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
少なくとも一本の上記分岐線路に侵入してきた上記成分間位相差ソリトンを消失させ、代わりに同じ分岐線路に消失させた上記成分間位相差ソリトンよりも高いエネルギを持つ成分間位相差ソリトンを撃ち込むことで上記分岐端を越えて上記基幹線路に侵入する成分間位相差ソリトンのエネルギを最初に上記分岐線路に侵入していった成分間位相差ソリトンよりも大きくするか、上記消失させた上記成分間位相差ソリトンよりも小さなエネルギ持つ成分間位相差ソリトンを撃ち込むことで上記分岐端を越えて上記基幹線路に侵入する成分間位相差ソリトンのエネルギを小さくすること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項５】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記基幹線路をバリア線路部として構成し、該基幹線路の両端にそれぞれ複数本の上記分岐線路を設け、それら分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンが該基幹線路と該分岐線路の上記分岐端にて一致する確率で上記バリア線路部をトンネルさせること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記どれか一つまたは複数の分岐線路に数の異なる上記成分間位相差ソリトンを入れておくことでトンネル確率を制御すること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項７】
請求項５記載の成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記バリア線路部を挟んで両端側で上記分岐線路を異なる数とし、上記トンネル後に数の少ない方の分岐線路にエネルギの増幅された成分間位相差ソリトンを送り出すこと；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項８】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記分岐線路と上記基幹線路との接続関係が、上記成分間位相差ソリトンの静止エネルギが上記ソリトン伝搬線路の断面積に比例することに基づいて、上記成分間位相差ソリトンの分割や融合を阻害しない関係にあること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項９】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくとも該線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない線路部分である基幹線路中の成分間位相差ソリトンを上記複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、上記各分岐線路に存在する成分間位相差ソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで上記基幹線路に伝搬させる成分間位相差ソリトンの制御方法であって；
上記分岐線路を、上記基幹線路と上記分岐端で分岐した後、該分岐端を第一の分岐端として、これと異なる位置にある第二の分岐端にて該基幹線路に再び接続するようにし、かつ、これら第一，第二分岐端間の基幹線路部分の長さよりも該分岐線路の線路長を長くすることで、該分岐線路と上記第一、第二分岐端間の上記基幹線路部分で囲まれる透孔が形成されるようにし、該基幹線路から上記第一分岐端で分割されて該分岐線路と上記第一、第二分岐端間の上記基幹線路部分とに侵入した各成分間位相差ソリトンの中、該基幹線路部分に侵入した方の成分間位相差ソリトンが先に上記第二の分岐端を通り越すようにすることで、上記透孔の中に中途半端な磁束量子を発生させること；
を特徴とする成分間位相差ソリトンの制御方法。
【請求項１０】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路をその線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割し、分割していない線路部分が基幹線路である線路構造を少なくとも有する成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記分岐線路にはそこに侵入してきた成分間位相差ソリトンを選択的に消失させ得る成分間位相差ソリトン消去回路装置も設けられていること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記成分間位相差ソリトン消去回路装置はジョセフソン接合であること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【請求項１２】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路をその線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割し、分割していない線路部分が基幹線路である線路構造を少なくとも有する成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記基幹線路が成分間位相差ソリトンのトンネル可能なバリア線路部として構成され、該基幹線路の両端にそれぞれ複数本の上記分岐線路が設けられていること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【請求項１３】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路をその線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割し、分割していない線路部分が基幹線路である線路構造を少なくとも有する成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記分岐線路と上記基幹線路との接続関係が、上記成分間位相差ソリトンの静止エネルギが上記ソリトン伝搬線路の断面積に比例することに基づいて、上記成分間位相差ソリトンの分割や融合を阻害しない関係にあること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【請求項１４】
超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路をその線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割し、分割していない線路部分が基幹線路である線路構造を少なくとも有する成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記分岐線路が、上記基幹線路の長さの途中で上記分岐端を第一の分岐端として分岐した後、該第一の分岐端とは異なる位置にある第二の分岐端にて該基幹線路に再び接続するように構成され、かつ、これら第一，第二分岐端間の基幹線路部分の長さよりも上記分岐線路の線路長が長く、これにより該分岐線路と該第一、第二分岐端間の上記基幹線路部分で囲まれる透孔が形成されていること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【請求項１５】
請求項１０から１４の何れか１つに記載の成分間位相差ソリトン回路装置であって；
上記複数の分岐線路の長さが互いに異なっていること；
を特徴とする成分間位相差ソリトン回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導環境下で存在し得る成分間位相差ソリトンを制御する方法と当該制御により各機能を実現するための成分間位相差ソリトン回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多バンド超伝導体を用いて複数の超伝導成分の位相差を利用した超伝導エレクトロニクスは、例えば本件発明者等も関与した下記特許文献１及び２に開示されている。
【特許文献１】特開2003-209301号公報
【特許文献２】特開2005-085971号公報
【０００３】
これらにおいて演算の基本要素となるビットは成分間位相差ソリトンを利用して構成されており、効率的なソリトンの発生、検出方法の開発はこれらのエレクトロニクスの基本となる技術である。なお、伝搬線路が多バンド超伝導体線路の場合、当該成分間位相差ソリトンは、特にその下位概念としてバンド間位相差ソリトンと呼ばれることも多いが、本書では以下、これらを総称し、単に「ソリトン」と略すこともある。
【０００４】
しかるに、ソリトン発生に関しては、上記の特許文献１，２及び下記非特許文献１に開示されているように、ソリトンが発生するための境界条件を磁場によって作りだす方法や、下記非特許文献２に開示されているように、超伝導体に非平衡な電流を流し込み、電流と一緒にソリトンを作り出す方法が提案されている。実験的にも、下記非特許文献３，４にて磁場によるソリトン発生が検証されている。
【非特許文献１】“Soliton in Two-Band Superconductor”，Y.Tanaka，Physical Review Letters, Vol.88, Number 1, 017002
【非特許文献２】“Interband Phase Modes and Nonequilibrium Soliton Structures in Two-Gap Superconductors”, A.Gurevich and V.M.Vinokur, Physical Review Letters, Vol.90, Number 4, 047004
【非特許文献３】“Interpretation of Abnormal AC Loss Peak Based on Vortex-Molecule Model for a Multicomponent Cuprate Superconductor”, Y. Tanaka, A. Crisan, D. D. Shivagan, A. Iyo, K. Tokiwa, and T. Watanabe, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.46, No. 1, 2007, pp. 134-145
【非特許文献４】“Magnetic Response of Mesoscopic Superconducting Rings with Two Order Parameters”, H. Bluhm, N. C. Koshnick, M. E. Huber, and K. A. Moler, Physical Review Letters Vol.97,December 8, 237002
【０００５】
一方、検出に関しては、上記特許文献１，２及び非特許文献１に開示のように、ソリトンが作り出す中途半端な磁束量子(Fractional Flux)の発生を検出する方法と、上記非特許文献２に認められるように、ソリトンと反ソリトンの対消滅による電圧の発生や、ソリトンが電流導入端子において作り出されるときに発生する電圧でソリトンを検出する方法が開示されている。単位量子磁束より小さい磁束の測定に有力な手段としては、下記非特許文献５に開示されているようなSQUID顕微鏡による検出法もある。
【非特許文献５】“SQUID顕微鏡”，師岡利光、茅根一夫、応用物理  第70巻第一号(2001年)，50頁〜52頁.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、ソリトンを信号担体(論理ビット)として利用し、種々の論理演算機能等を実現させようとする場合、これを制御するには、従来の考え方では外部磁場が必要であった。しかし、ソリトンは磁場とは直接には相互作用しないので、外部磁場で制御しようとするとそのための回路構成を必要とし、そうすると一方で、環境磁場の影響を受け易くなる欠点があった。そもそもソリトンは磁場と相互作用しない性質を持つことが着目され、これが量子コンピュータへの応用において有利な点と認められていたのであるから、磁場による境界条件の設定を必要とする従来の手法には矛盾がある。また、外部磁場で制御しようとしても、大きなエネルギを持つソリトンを制御し切れる技術は見当たらなかった。
【０００７】
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、外部磁場を利用する必要もなく、従って当然に環境磁場によるノイズの悪影響を受けることもなく、新たな制御理念に従ってソリトンを制御し得る制御方法、及びそのための回路装置を提案せんとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、新たなる発想として、外部磁場等、外部エネルギの印加を必要とせずにソリトン自身の相互作用による分割ないし融合を利用せんとする。すなわち、超伝導環境下において存在し得るソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路を少なくともその線路途中に設定した分岐端で複数の分岐線路に分割した線路構造を用い、分割していない（分割前の）線路部分である基幹線路中のソリトンを複数の分岐線路に外部エネルギの供給なくして分割して侵入させるか、各分岐線路に存在するソリトンを外部エネルギの供給なくして融合させることで基幹線路に伝搬させることを特徴とするソリトン制御方法を提案する。このように、上記分岐線路と上記基幹線路との接続関係を、上記成分間位相差ソリトンの静止エネルギが上記ソリトン伝搬線路の断面積に比例することに基づいて、上記成分間位相差ソリトンの分割や融合を阻害しない関係とすることによって、外部磁場等、外部エネルギの印加を必要とせずに、ソリトン自身の相互作用による分割ないし融合を利用して、ソリトン伝搬線路内を伝搬させるのである。
【０００９】
上記の基本的な構成要件を満たした上で、本発明では、複数の分岐線路に分割させたソリトンの少なくとも一つを選択的に消失させることで、他の分岐線路中のソリトンをそれぞれが走行する各分岐線路に選択的に留める方法も提案する。
【００１０】
また、複数の分岐線路の長さは互いに異ならせることもでき、これら複数の分岐線路の長さの比で定まる各分岐線路中の各ソリトンの各往復回数毎にのみ、基幹線路と各分岐線路との分岐する分岐端に戻ってきた複数のソリトンを再び基幹線路中に伝搬させて行くこともできる。
【００１１】
さらに、少なくとも一本の分岐線路にソリトンが存在している状況下で、他のどれか一つまたは複数の分岐線路にソリトンを選択的に撃ち込むことで、そのときにのみ基幹線路に選択的に融合した結果のソリトンを送り込むこともできる。
【００１２】
本発明の一態様によれば、ソリトンのエネルギの増幅または減衰も可能である。先と同様に、少なくとも一本の分岐線路に侵入してきたソリトンを消失させ、代わりに同じ分岐線路に消失させたソリトンよりも高いエネルギを持つソリトンを撃ち込めば分岐端を越えて基幹線路に侵入するソリトンのエネルギは最初に分岐線路に侵入していったソリトンよりも大きくでき、逆に、消失させたソリトンよりも小さなエネルギ持つソリトンを撃ち込めば分岐端を越えて基幹線路に侵入するソリトンのエネルギは最初に分岐線路に侵入していったソリトンよりも小さくできる。
【００１３】
本発明ではトンネル現象も利用したソリトン制御が可能である。基幹線路をバリア線路部として構成し、当該基幹線路の両端にそれぞれ複数本の分岐線路を設け、それら分岐線路に存在するソリトンが基幹線路と分岐線路の分岐端にて一致する確率でバリア線路部をトンネルさせる制御が可能であり、この場合、どれか一つまたは複数の分岐線路に数の異なるソリトンを入れておくことで、トンネル確率を制御することも可能である。
【００１４】
バリア線路部を挟んで両端側で異なる分割数の分岐線路とすれば、トンネル後に数の少ない方の分岐線路にエネルギの増幅されたソリトンを送り出すこともできる。
【００１５】
さらに本発明の特定の態様によれば、分岐線路を基幹線路と分岐端で分岐した後、この分岐端を第一の分岐端として、これと異なる位置にある第二の分岐端にて基幹線路に再び接続し、かつ、これら第一，第二分岐端間の基幹線路部分の長さよりも分岐線路の線路長を長くすることで、当該分岐線路と第一、第二分岐端間の基幹線路部分で囲まれる透孔が形成されるようにして、基幹線路から第一分岐端で分割されて分岐線路と上記の第一、第二分岐端間の基幹線路部分とにそれぞれ侵入した各ソリトンの中、基幹線路部分に侵入した方のソリトンが先に第二の分岐端を通り越すようにすることで、透孔の中に中途半端な磁束量子を発生させ、情報を記憶させることができる。
【００１６】
本発明は上述の様なソリトン制御方法を実現するための回路装置としても規定できる。すなわち、最も基本的な回路装置としては、超伝導環境下において存在し得る成分間位相差ソリトンの走行し得るソリトン伝搬線路をその線路途中で複数の分岐線路に分割し、分割していない線路部分が基幹線路である線路構造を少なくとも有するソリトン回路装置を提案できる。そして、上記分岐線路と上記基幹線路との接続関係を、上記成分間位相差ソリトンの静止エネルギが上記ソリトン伝搬線路の断面積に比例することに基づいて、上記成分間位相差ソリトンの分割や融合を阻害しない関係とすることによって、外部磁場等、外部エネルギの印加を必要とせずに、ソリトン自身の相互作用による分割ないし融合を利用して、ソリトン伝搬線路内を伝搬させるのである。
【００１７】
この基本構造に加えて、分岐線路にはそこに侵入してきたソリトンを選択的に消失させ得るソリトン消去回路装置も設けられている回路装置も提案でき、ソリトン消去回路装置としてはジョセフソン接合を用いることもできる。また、本発明では複数の分岐線路の長さが互いに異っているソリトン回路装置も提案できる。
【００１８】
本発明の他の態様においては、基幹線路がソリトンのトンネル可能なバリア線路部として構成され、当該基幹線路の両端にそれぞれ複数本の分岐線路が設けられている回路装置も提案できる。
【００１９】
さらに本発明の別な態様として、分岐線路が、基幹線路の長さの途中で上記の分岐端を第一の分岐端として分岐した後、この第一の分岐端とは異なる位置にある第二の分岐端にて基幹線路に再び接続するように構成され、かつ、これら第一，第二分岐端間の基幹線路部分の長さよりも分岐線路の線路長が長く、これにより当該分岐線路と第一、第二分岐端間の基幹線路部分で囲まれる透孔が形成された回路装置も提案する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、外部磁場を必要とせずに複数のソリトン間の相互作用によって各種の論理演算機能を実現できるので、ノイズに強く、かつ極めて簡単な回路装置で済むソリトン制御が可能となる。環境ノイズに対して強靭な量子コンピュータ等、超伝導エレクトロニクス技術において本発明は将来に向け、極めて実践的な基本制御手法，制御回路構造を提案することとなり、当該技術分野に貢献する所、甚だ大なるものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１(A)〜(E)には、本発明の基本的な理解のための説明図と、本発明を適用したソリトン回路装置の望ましい一実施形態が示されている。なお、図２以降も全図を通じ、同一の符号は同一または同様な構成要素を示す。
【００２２】
ソリトンSo（既述の約束に従い、以下では単に「ソリトン」と略称するが、正しくは「成分間位相差ソリトン」のことである）は、既に周知のように、図１(A) に示すような超伝導環境下にある一次元的なソリトン伝搬線路10中では形や速度等、その性質を変えることなく伝搬し、互いの衝突に対して安定で、各々の個別性を保つ性質を持つ非線形波動であり、二つのバンドの上に存在する二つの超伝導成分の位相差がその波を担う媒体となる。
【００２３】
すなわち、本書で取り上げているソリトンSoは「トポロジカルなソリトン」に属し、幾何学的な性質も持ち合わせていて、当該ソリトンSoの前後では位相差Θsolitonが生じる。この位相差Θsolitonは異なる位置間に生じる位相差であり、同一位置で定義される成分間位相差（またはバンド間位相差）とは別の位相差であることに注意を要する。ソリトンSoの伝搬や反射においては位相差Θsolitonを保つことが必要な要件となる。換言すると、位相差Θsolitonがあれば静止している状態もあり得る。
【００２４】
ソリトンSoは伝搬方向に長さLsを持ち、ソリトン伝搬線路10の両端間に位置する「壁」と考えることができ、この壁の幅が伝搬線路10の幅Lwとなる。この謂わば「位相差ソリトン壁So」の静止エネルギは、壁の幅Lwに比例し、また線路10の厚さLtにも比例する。つまり、伝搬線路10の断面積Ｓ(＝Lw・Lt)に比例する。なお、原理的には断面形状は矩形に限らず、任意形状を取ることができるが、その断面積Ｓにソリトン静止エネルギが比例することには変わりがない。
【００２５】
単位断面積を持つ伝搬線路中にあるソリトンSoの静止エネルギをE0とすると、断面積Sの回路にあるソリトンSoの静止エネルギはE0×Sになる。ソリトンSoが運動するとこれに運動エネルギも加わり、速度vで運動する位相差ソリトンの全エネルギはE0×S×(1-(v/c)2)-1/2になる。ここでcはソリトンSoの最高速度であり、伝搬線路10を構成する材料固有の定数である。
【００２６】
なお、ソリトン伝搬線路10は、代表的には多バンド超伝導線路として構成できるが、昨今では下記非特許文献６等に開示されているように、実空間で磁場侵入長より薄い薄膜の多層構造で実現された多成分超伝導線路であっても良いことが分かっており、その場合にも本書における以下の説明は等しく適用できる。
【非特許文献６】“Phase Textures Induced by dc-Current Pair Breaking Weakly Coupled Multilayer Structures and Two-Gap Superconductors”, A.Gurevich and V.M.Vinokur, Physical Review Letters Vo. 97,September 29, 137003
【００２７】
さて、図１(B)，(C)を見ると、そこには本発明者の知見により外部エネルギの供給なくして可能であることが分かったソリトンSoの分割に必要な線路構造が示されている。ソリトン伝搬線路10は一端Peから他端Pfに向けて伸びるが、その長さの途中を分岐端Poとして、そこから他端Pfに向けては複数本、図示の場合は二本の分岐線路10-1，10-2に分割されている。一端Peから分岐端Poまでの分割されていない線路部分は、便宜上、基幹線路10Mと呼ぶことにする。換言すれば、基幹線路10Mの一端からは分岐するように二本の分岐線路10-1，10-2が連続性を保ちながら伸び出している線路構造となっており、こうした回路装置がこの図１(B)以降に示されている。
【００２８】
このようなソリトン伝搬線路10では、一端Pe側から基幹線路10Mを矢印FLで示す方向に走行してきたソリトンSoは、図１(C) に示すように、分岐端Poを越えると二個に分割され、そのままそれぞれ分岐線路10-1，10-2に侵入した後、矢印FL1，FL2で示すように各分岐線路の他端Pf1，Pf2に向けて走行を続けて行くことができる。これに外部エネルギの供給は必要としない。本発明者の知見により得られたこのような動作、現象は、種々の論理機能を営む上で極めて有効に作用する。
【００２９】
同様に、本発明者の知見に依れば、外部エネルギの供給なくして上記のソリトン分割とは逆の過程、すなわちソリトンの融合過程も考えることができることが分かった。図１(C)において各分岐線路10-1，10-2に存在するソリトンSo1，So2が、仮想線の矢印FR1，FR2で示すように、本図では左から右に進んで分岐端Poに同一のタイミングで至り、かつ、双方のエネルギの和が基幹線路10MにおいてソリトンSoが存在し得る大きさ以上であれば融合し、再び一つのソリトンSoとなって基幹線路10M中を矢印FR方向に進むことができる。この場合、分岐端Poは合流端Poと呼んでも構わない。そして、ソリトン伝搬線路10の両端Pe，Pfが閉じていれば、それぞれの端部で反射し、上述の分割と融合を繰り返しながらソリトンSoは往復動する。
【００３０】
なお、上述において基幹線路10Mと分岐線路10-1，10-2とが「連続性を保つ」構造になっているということの意味は、このようなソリトンSoの分割や融合を阻害することなく可能とするような接続関係に基幹線路10Mと分岐線路10-1，10-2との接続関係が満たされているということである。実際には物性的にも一様な一本の伝送線路10に途中までの長さ方向切り割りを入れることで分岐線路10-1，10-2を構成するのが簡単であり、一般的である。
【００３１】
このような線路構造では、例えば次のようなソリトンSoの制御が行える。図１(C) に即して説明したように、基幹線路10M中を走行してきたソリトンSoを分岐端Po以降で二個に分割し、分岐線路10-1，10-2中をそれぞれ矢印FL1，FL2で示すように各分岐線路の他端Pf1，Pf2に向けて走行させた後、例えば図１(D)に示されているように、上の分岐線路10-1に移動したソリトンSo1をそのままジョセフソン接合JJ等のソリトン消去回路装置に導き、そこでこれを潰し、消滅させたとする。すると、下の分岐線路10-2を走行しているソリトンSo2は、端部Pf2で矢印FR2で示すように反射して分岐端Po側に戻ってきても、それ単体ではエネルギが不足し、最早基幹線路10Mに侵入することはできず、その結果、下の分岐線路10-2中を往復動するのみで、そこに閉じ込められたままになる。
【００３２】
従って、下の分岐線路10-2に、既掲の特許文献２等に開示されている量子ビット構造を作り込んでおくと、そこにソリトンSo2を一つ送り込むことで量子ビットを機能させることができる。なお、ソリトン消去回路装置としてはジョセフソン接合JJを用い、そこでソリトンを潰し、消失させることができることは、未だ公開にはなっていないが、本件出願人の出願に掛かる下記特許文献３に開示されている。
【特許文献３】特願2006-230366
【００３３】
また、分岐線路の数は二本に限定されるものではなく、複数本設けた場合には、少なくともその中の一本につき、そこを走行するソリトンを選択的に消失させることで上記と同様の機能を営ませることができる。
【００３４】
図１(E)に示すように、上の分岐線路10-1の長さL11と下の分岐線路10-2の長さL12とを変えておくと、次のような特異にして有益な動作も見込める。各分岐線路10-1，10-2中の各ソリトンSo1，So2は矢印FR1，FR2で示すようにそれぞれの分岐線路他端Pf1，Pf2で反射すると共に、進んで行った分岐端Poでも反射をし、結局、それぞれの分岐線路10-1，10-2中を行ったり来たりする。しかし、上下の分岐線路10-1，10-2の長さL11，L12が異なっているため、分岐端Poでいつも必ず両ソリトンSo1，So2が全く同時に位置的な一致を見るということはなく、これら分岐線路10-1，10-2の長さ比L11/L12で定まる各往復回数毎にのみ、分岐端Poに戻ってきた両ソリトンSo1，So2が同じタイミングで位置的に一致し、その時だけ、外部エネルギの供給を受けずとも互いに融合し、再び基幹線路10M中に戻って行くことができる。これは結局、デジタル的な遅延回路を構築したことになり、上述の長さ比L11/L12の設定如何により、遅延時間を任意に設定できることを意味する。分岐線路が複数の場合には、より複雑な遅延制御も可能となる。
【００３５】
ここで、図２(A)に示されているように、一方の分岐線路、例えば下の分岐線路10-2中にのみ、ソリトンSo2が走行している状態を考えてみる。このソリトンSo2が矢印FR2方向に進み、図２(B)に示すように分岐端Poに至り、さらにここを越えて基幹線路10Mに侵入し、そのまま進んで行こうとするためには、図２(C)，(D)に示されているように、一旦、ソリトン壁を膨らませ、上方向FR’と右側FRに進むソリトン壁に変形して行く必要がある。ソリトン壁の前後に位相差Θsolitonがなければならないという要件（幾何学的、またはトポロジカルな拘束条件）を満たさねばならないからである。
【００３６】
もし、このソリトンSo2の持つエネルギが十分な大きさであるならば、このソリトンSo2は図２(D)の状態から図２(E)に示される状態となり、基幹線路10M中を進むソリトンSoと上の分岐線路10-1を進むソリトンSo1とになって各線路中を走行して行くことができる。しかし逆に、下の分岐線路10-2のソリトンSo2のエネルギが十分でなかった場合、既に説明した通り、ソリトンSo2は下の分岐線路10-2から抜け出すことはできず、図2(F)に示されているように、分岐端Poと他端Pf2との間で矢印FR2方向に行っては矢印FL2方向に戻るという反射を繰り返したままになる。
【００３７】
しかし、この現象を逆に利用すると、図３に即して説明される制御を行うことができる。上述のように図２(F)に即して説明した状態にあるとき、つまり下の分岐線路10-2にのみ閉じこめられたソリトンSo2がある状態下で、当該下の分岐線路10-2を矢印FR2方向に走るソリトンSo2と分岐端Poに同時に至るソリトンSo1を上の分岐線路10-1に選択的に撃ち込むようにし、かつ、両ソリトンSo1，So2のエネルギの和が分岐端Po以降の基幹線路10MにおいてソリトンSoが存在し得る大きさ以上となるように当該撃ち込みソリトンSo1のエネルギを設定すれば、上の分岐線路10-1にソリトンSo1を撃ち込むか否かで基幹線路10Mに論理信号担体として利用できるソリトンSoを意図的に存在させたりさせなかったりすることができる。
【００３８】
従ってこの場合、上の分岐線路10-1のソリトンSo1は下の分岐線路10-2を走るソリトンSo2の伝搬と運動を制御するものとなり、下の分岐線路10-2に存在する信号情報を基幹線路10M以降に連なる回路に選択的に伝搬させるためのトリガ信号(コントロール信号ないしはゲート信号)として使うことができる。対して双方の分岐線路10-1，10-2に選択的に存在し得る両ソリトンSo1，So2を共に信号担体としてみるならば、この回路装置はアンド機能を営み得ることも分かる。この場合にも複数の分岐線路を構築することも考えられ、どれか一つの分岐線路にソリトンが存在している状況下で他のどれか一つまたは複数の分岐線路にソリトンを選択的に撃ち込むことで、そのときにのみ基幹線路10Mに選択的に信号情報としての融合した結果のソリトンを送り込むことができ、より複雑な態様の制御が可能となる。
【００３９】
本発明による回路装置ではソリトンSoの加速，減速（エネルギの増幅もしくは減衰）も可能である。図番を遡るが、ジョセフソン接合JJを有する図１(D)の回路装置構造を用い、例えば上の分岐線路10-1に侵入してきたソリトンSo1をジョセフソン接合JJ等で潰し、代わりに図３に示すように、上の分岐線路10-1に潰したソリトンSo1よりも高いエネルギを持つ(より高速な)ソリトンSo1を、分岐端Poにおいて下の分岐線路10-2を矢印FR2方向に走ってきたソリトンSo2とタイミング的に一致するように矢印FR1方向に撃ち込むと、それらが融合して基幹線路10Mに戻ったソリトンSoのエネルギは最初に分岐線路10-1，10-2に向かったときのソリトンSoのそれよりも大きくなる。
【００４０】
この基幹線路10Mにエネルギ的に増幅されて入ったソリトンSoを基幹線路10Mの一端Peにて反射し、これを再び分岐線路10-1，10-2に分岐させ、上述と同じ動作を繰り返させながら、その度毎に上の分岐線路10-1に新たに撃ち込むソリトンSo1のエネルギを大きなものとして行けば、基幹線路10M中のソリトンSoないしは下の分岐線路10-2を走行するソリトンSo1のエネルギを徐々に増やして行くことができる。
【００４１】
ソリトンSoの持つエネルギの減衰(走行速度の減速)も可能で、上述において上の分岐線路10-1に新たにソリトンSo1を撃ち込むときに、そのソリトンSo1をジョセフソン接合JJにて消失させたソリトンSo1の持つエネルギよりも小さなものとすれば良い。
【００４２】
また、上の分岐線路10-1と下の分岐線路10-2の断面積に差を付けてそれらを走行するソリトンSo1，So2にエネルギ差を生じさせることも可能なので、例えば上の分岐線路10-1の断面積を大きくすることで同じ速度のソリトンを撃ち込んだときの下の分岐線路10-2を走るソリトンSo2の加速や減速の度合いを調整することもできる。
【００４３】
本発明ではトンネル現象を利用してのソリトン制御も可能である。まず、図４(A)に示すような形態の線路構造を考えてみる。すなわち、ソリトン伝送線路10の長さ方向途中部分が所定の長さに渡り断面積が増し、バリア線路部10Bとなっていて、このバリア線路部10Bにおいてはソリトンを作るにはエネルギ不足となるようになっている。
【００４４】
にもかかわらず、バリア線路部10Bの断面積、長さ、そして走行してきたソリトンSoの持つエネルギ等のパラメータが特定の条件を満たすように定めると、図中でバリア線路部10Bの左側線路部分に位置するソリトンSoがこのバリア線路部10Bを矢印FR方向に通過し、右側線路部分に至るトンネル現象を生じさせることができる。この場合、当該トンネル現象は二次の摂動の過程により生じるので、トンネル確率は、おおまかに、ソリトンSoの持つエネルギとバリア線路部10Bの部分にソリトンを作るのに必要なエネルギの差の二乗に反比例することになる。
【００４５】
そこで例えば、図４(B)に示すように、バリア線路部10Bの両端にそれぞれ上下の分岐線路10-1，10-2；10-3，10-4を接続したソリトン伝搬線路10を構築してみる。構造的な対比からだけ言えば、図１〜３に示したソリトン伝搬線路10における基幹線路10Mが、この実施形態におけるバリア線路部10Bとなっていると見ることもでき、これまでの線路構造は当該基幹線路10Mの一端側にのみ、一対の分岐線路10-1，10-2が接続されていたが、この図４(B)に示されている実施形態では両端側にそれぞれ一対の分岐線路10-1，10-2；10-3，10-4が接続している構造と見ることもできる。なお、右側の分岐線路10-3，10-4の各自由端部にも、図中ではそれぞれ符号Pf3，Pf4が付されている。
【００４６】
こうした線路構造で、図中、左側の上の分岐線路10-1にソリトンSo1を入れておくと、バリア線路部10Bを通り越すトンネル確率は左側の分岐端Poにて上下ソリトンSo1，So2が位置的に合致する確率に比例し、また、融合することによってできるソリトンSoの全エネルギとバリア線路部10B中にソリトンSoを作るのに必要なエネルギの差の２乗に反比例することになる。従って例えば、左側の上の分岐線路10-1に予めいくつかソリトンSo1を入れておくとすると、その入れた数だけ、分岐端Poにて時間的に一致しながら合流する確率が増える。これは結局、トンネルを起こすためにも外部エネルギの供給なくしてトンネル確率を制御することが可能なことを意味する。
【００４７】
バリア線路部10BをトンネルしたソリトンSoは右側の分岐線路10-3，10-4にもちろん分岐的に別れて行くことができ、それぞれ単独のソリトンSo3，So4となって走行できるが、もし仮に、右側の一対の分岐線路10-3，10-4を一本だけにすると、そこに走行するソリトンSoはエネルギの高められた、ないしは高速走行するソリトンとなり得、これはつまり、上記と同様、トンネルを生起させるために外部エネルギを供給する必要もなく、トンネル確率を任意に制御しながらエネルギ増幅も図れる回路装置となる。この場合、一本だけにした分岐線路10-3または10-4を基幹線路10Mと見ることもできる。すなわち、このような構造の回路装置は基幹線路10Mにバリア線路部10Bを介し、一対の分岐線路10-1，10-2が接続している構造と見ることもできる。いずれの場合にも、先と同様、分岐線路の数は原理的に任意本数とすることができ、同様の動作原理でより選択範囲の広い、自由度の高いトンネル現象制御が可能となる。増幅に関しても、バリア線路部10Bの両端側で数の異なる分岐線路が接続されているならば、トンネル後に数の少ない方の分岐線路に送り出されるソリトンはエネルギの増幅されたものとなる。
【００４８】
図５には本発明に従う更に他の実施形態が示されている。構造的に見ると、このソリトン伝搬線路10には基幹線路10Mの一端Peから他端Pfに向かう長さの途中で分岐端Poで分岐する分岐線路10-1があり、この分岐線路10-1は分岐端Poとは異なる位置で基幹線路10Mの他端Pf寄りの位置にある第二の分岐端Po’にて基幹線路10Mに再び接続しており、かつ、一対の分岐端Po，Po’間の基幹線路部分の長さよりも線路長の長い実質的な迂回線路となっている。構造的に別の見方をすると、一対の分岐端Po，Po’間の基幹線路10Mの部分はこれまでに説明してきた第二の分岐線路10-2と見ることもできるし、あるいは図１(B)〜(D)，図２，図３に示されているソリトン伝搬線路10を二つ用い、これを分岐線路10-1，10-2；10-1，10-2の各自由端Pf1，Pf2：Pf1，Pf2側で向き合わせて、そこで互いに接合した形状と見ることもできる。
【００４９】
この構造で特徴的なことは、迂回線路10-1となる分岐線路10-1が第二分岐線路10-2に相当する一対の分岐端Po，Po’間の基幹線路部分よりも長いため、それらにより囲まれた透孔HLが形成されることであって、結果、以下述べるように、中途半端な磁束量子Φfractionalを利用する制御が実現できるようになる。
【００５０】
図５(A)に示されているように、ソリトンSoが基幹線路10Mを図中で右端Peから入り、矢印FL方向に進行して行ったとする。すると、図５(B)に示すように、このソリトンSoはやがて第一の分岐端Poに至り、そこで外部からエネルギを供給せずとも矢印FL1，FL2で示すように分割し、第一の分岐線路10-1方向に進むソリトンSo1と基幹線路10Mないし第二分岐線路10-2を進むソリトンSo2とに別れる。
【００５１】
ところが、既述のように、第一分岐線路10-1の線路長の方が一対の分岐端Po，Po’間の基幹線路部分（第二分岐線路10-2）よりも長いため、図５(C)に示すように、下のソリトンSo2が十分なエネルギを持っている場合には基幹線路部分中のこのソリトンSo2が先に第二の分岐端Po’を通り越してしまい、その結果、透孔HLの中に、中途半端な磁束量子Φfractionalが発生することになる。
【００５２】
このように透孔HLの中に中途半端な磁束量子Φfractionalが発生するのは、図１(D)に示されているように、上の分岐線路10-1に残っているソリトンSo1による量子位相のずれ、位相差Θsolitonを保障するためである。従って、上の分岐線路10-1中のソリトンSo1が第二分岐端Po’を越えてさらに基幹線路10M中を左に抜けるのに十分なエネルギを持たず、矢印FR1で示すように反射して透孔HLを離れて第一分岐端Poよりも右側の基幹線路10Mに戻っていくのにも必要なエネルギが無い場合、当該ソリトンSo1は第一分岐線路10-1から離れることができず、中途半端な磁束量子Φfractionalはそのまま透孔HLの中に発生し続ける。
【００５３】
これは結局、情報記憶機能を司っていることになり、外部エネルギの供給なくしてそれが行えることはデジタル論理回路構築上、極めて有利である。なお、上か下か、どちらか一方のソリトンSo1またはSo2ソリトンをジョセフソン接合等のソリトン消去回路装置にぶつけて潰し、どちらか一方だけが透孔HLの周りに残存するようにしても、同様に、中途半端な磁束Φfractionalを検出することによって記憶された情報単位としてのソリトンを検出することが可能になる。
【００５４】
なお、既述したように、中途半端な磁束Φfractionalは走査型SQUID磁束顕微鏡で測定することが可能であるし、透孔HL自体を使ったrf-SQUIDまたはDC−SQUIDを構成することにより、その磁場依存性を計ることによっても可能である。
【００５５】
以上、本発明に係るバンド間位相差ソリトンの制御法の各実施形態につき説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で様々な改変が可能であることは言うまでもない。既に述べたように、分岐線路数は基本的に図示の場合には二本であったが、これも任意本数に展開でき、そのようにした回路装置を用いてのソリトン制御も、基本動作原理においては上述してきた所と何ら変わりのないものとすることができる。いずれにしても、外部エネルギの供給を必要とせずにソリトン間相互作用によってのみ、デジタル回路に本質的に必要な種々の制御が可能なことを実証した本発明の意義は極めて大きいものがある。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の望ましい一実施形態における概略的な構成図である。
【図２】本発明で利用するソリトンの所作に関する説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態に関する説明図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態に関する説明図である。
【図５】本発明のまた別な実施形態に関する説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
10  ソリトン伝搬線路
10M 基幹線路
10-1，10-2  分岐線路
So，So1，So2  ソリトン
Po，Po’  分岐端
HL  透孔
【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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