(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して情報を記録する、複数のバンドを有する超伝導体を利用した情報記録方法。
【請求項２】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して演算する、複数のバンドを有する超伝導体を利用した演算方法。
【請求項３】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトン単位で情報を伝達する、複数のバンドを有する超伝導体を利用した情報伝達方法。
【請求項４】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンによる、複数のバンドを有する超伝導体を利用したエネルギー蓄積方法。
【請求項５】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の単位位相差ソリトンで磁束を計測する、複数のバンドを有する超伝導体を利用した磁束測定方法。
【請求項６】
複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して量子ビットを構成する、複数のバンドを有する超伝導体を利用した量子ビットの構成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相を利用した情報記録方法、演算方法、情報伝達方法、エネルギー蓄積方法、磁束測定方法及び量子ビットの構成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超伝導で、超伝導の位相差を利用した超伝導エレクトロニクスは、すべて、空間的に異なる場所での位相差のみを利用していた。また、エネルギーの蓄積に関しては、超伝導体中に磁場の誘起を伴う形で、電流を流してエネルギーを蓄積していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような技術を利用した代表的な超伝導デバイスに、ジョセフソン装置がある。即ち、２つの異なる超伝導体を空間的に隣り合わせて配置し、その間の位相差を利用する方法を利用した超伝導体装置である（以下、この方法を利用した超伝導体装置を「空間的配置によるジョセフソン装置」と称す）。空間的配置によるジョセフソン装置は界面の性質のコントロールが必要で、特に高温超伝導体におけるジョセフソン装置は、そのジョセフソン接合の界面制御の難しさが、実用化の最大の障害となっている。
【０００４】
超伝導体によるエネルギー蓄積分野では、超伝導マグネットに永久電流を流し、そこに電磁気エネルギーを蓄積する方法、超伝導体を磁場中で浮上させ、その回転による運動エネルギーによりエネルギーを蓄積する方法がある。この方法は、つねに磁束の発生を伴うため、高温超伝導体のように磁束クリープによるエネルギーの損失が無視できないものでは動作温度が超伝導転移温度よりかなり低い温度になってしまう。
量子ビットを構成する方法としては、核磁気を用いる方法、固体デバイスを使って磁束量子を操作する方法等が提案されているが、前者は数百ビットの集積化が不可能であり、後者の集積化には精緻なナノテクノロジーが要求され、その技術は未完成である。
【０００５】
本発明は、超伝導体において界面制御を必要としない新しいジョセフソン装置の原理を利用した情報記録方法、演算方法、情報伝達方法、磁束計測方法、量子ビットの構成方法、永久電流による磁場を発生させないようにしたエネルギー蓄積方法、及び、現在の技術で集積化が可能な量子ビットの構成方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る情報記録方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して情報を記録する。本発明に依る演算方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して演算する。本発明に依る情報伝達方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトン単位で情報を伝達する。本発明に依るエネルギー蓄積方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンによる。本発明に依る磁束測定方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の単位位相差ソリトンで磁束を計測する。本発明に依る量子ビットの構成方法は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間の位相差ソリトンを利用して量子ビットを構成する。上述の如く、本発明に於いては、ジョセフソン接合の界面制御を必要とせず、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間に現れる位相差ソリトンの性質を利用するので、実用化が容易であり、エネルギーの損失を抑制することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は複数のバンドを有する超伝導体において、各バンドに存在する超伝導電子間の位相差を利用するものである。複数のバンドを有する超伝導体としてはCuxBa2Ca3CuOy 等がある。図１は、バンドが２つの超伝導体の電子エネルギーと波数との関係を一次元で概念的に示したものである。以下、一次元モデルで、二つの秩序パラメータΨ1 ，Ψ2 がそれぞれ異なるバンド上に存在し、それらが弱く相互作用している場合について説明する。相互作用が強い場合や、３つ以上の複数のバンドを有する場合も容易に類推でき、同様な効果を奏することは明らかである。
【０００８】
秩序パラメータ間の相互作用は数学的にはジョセフソン型の相互作用と同じである。秩序パラメータを電子対波動関数として表す（ギンツブルグモデル：Ginzburg Model）と、バンドνに存在する超伝導秩序パラメータは次の式（１）となる。
ここで、Ｎν ，θν はバンドνにおける超伝導電子密度、秩序パラメータの位相を表す。
【０００９】
【数１】
0004061372.tif 000002
【００１０】
一次元ギンツブルグモデルに基づいて、ギップス（Gibbs）の２バンド内の超電動電子のエネルギー密度は、次の式（２）式で表せることが知られている。式（２）は近似的に、次の式（３）〜（５）で表せる。ここで、αν ，βν ，γはパラメータで（γはバンド間の超伝導電子間の相互作用を表すパラメータである。）、ｍν はバンドνの超伝導電子の質量を表す。
【００１１】
【数２】
0004061372.tif 000003
【００１２】
【数３】
0004061372.tif 000004
【００１３】
【数４】
0004061372.tif 000005
【００１４】
【数５】
0004061372.tif 000006
【００１５】
超伝導体に超伝導電流が流れていないとき（Ｊｅ＝ΣｅｈＮν／ｍν・∇xθν＝０）は、次の式（６）〜（９）の関係がある。
【００１６】
【数６】
0004061372.tif 000007
【００１７】
【数７】
0004061372.tif 000008
【００１８】
【数８】
0004061372.tif 000009
【００１９】
【数９】
0004061372.tif 000010
【００２０】
式（２）で表される自由エネルギーには、エネルギー極小が安定状態として存在する。式（２）の変分δｇ＝０とおくと、次の式（１０）が求まる。
【００２１】
【数１０】
0004061372.tif 000011
【００２２】
この式（１０）は、サイン・ゴルドン（sine-Gordon） 式といわれ、位相差（θ1 −θ2 ）＝０，πの基底状態の解と、極小値解としてソリトン解が得られることが知られている。相互作用の大きさ（パラメータγで表される）が空間的に揺らがない場合における位相差の基底状態の解は、γ＜０のとき０で、γ＞０のときはπである。どちらになるかは、物質の性質γの符号によって決まる。他の極小値解として存在するソリトン解に対応するエネルギーは基底状態に対するエネルギーより少し高い。
【００２３】
また、位相差はγ＜０の場合０から２πまで、γ＞０の場合−πからπまで回転する。ソリトン１個のエネルギーＥsoliton は次の式（１１）で、ソリトンの合計位相差スリップΘsoliton は次の式（１２）で求まる。
【００２４】
【数１１】
0004061372.tif 000012
【００２５】
【数１２】
0004061372.tif 000013
【００２６】
図２、図３は、１次元の場合について、位相差（θ1 −θ2 ）であるソリトンを模式的に表す。図２の横軸は規格化定数Ｌ（式（１０）で定義）を単位として超伝導体の長さ、縦軸は位相差（θ1 −θ2 ）である。ｘ0 付近の位相差がソリトンを表す。ソリトンの前後には超伝導体全体も位相スリップ（図３のΘsoliton ）を起こす。ソリトンは超伝導体を進行し、超伝導体の端ｘ-∽、ｘ∽ で反射する。図３は秩序パラメータを複素平面上でベクトルで表現した例を示す。
【００２７】
このソリトンである位相差は保持されるので、位相差という形で情報を記憶することができる。且つ又、同じエネルギーを持ち回る方向が逆で、−Θsoliton の位相スリップも存在するので、ソリトン自身は＋，−の符号を持つことが可能である。ソリトンにより、磁束を伴わないエネルギーの蓄積が可能である。また、ソリトンを単位としてエネルギーを蓄積することができる。
【００２８】
図２のｘ-∽とｘ∽ とを接続して超伝導体をリングにすると、ソリトンの位相スリップΘsoliton は境界条件に対して超伝導電流によって補償される。したがって、超伝導電流Ｊｅは次の式（１３）ないし式（１５）で表される。超伝導循環電流Ｊｅは、Ｊｅsoliton ＝０なので、ベクトルによって流れる電流ＪｅＡ成分のみが流れる。
【００２９】
【数１３】
0004061372.tif 000014
【００３０】
【数１４】
0004061372.tif 000015
【００３１】
【数１５】
0004061372.tif 000016
【００３２】
超伝導リングにおける秩序パラメータの境界条件は一周の位相差が２ｎπ（ｎは整数）であるので、超伝導リングでは次の式（１６）が成立し、接合する両端の点ｘ-∽とｘ∽ との位相差は式（１７）になるので、超伝導リングに誘起される磁束Φは次の式（１８）で表される。ここで、Φ0 は磁束量子である。
【００３３】
【数１６】
0004061372.tif 000017
【００３４】
【数１７】
0004061372.tif 000018
【００３５】
【数１８】
0004061372.tif 000019
【００３６】
本発明は、複数のバンドを有する超伝導体において、複数のバンドに存在する超伝導秩序パラメータ間に現れる位相差ソリトンの性質を利用して、ソリトン単位で情報を記録する記録方法、演算する演算方法、情報伝達方法、エネルギー蓄積方法、磁束計測方法及び量子ビットの構成方法を提供する。
【００３７】
空間的配置によるジョセフソン装置の代わりに、同じ空間に重畳して存在する複数の超伝導秩序パラメータ間のジョセフソン結合（Josephson coupling）を使用する。この方法により、ジョセフソン結合の強さは、界面の性質ではなくバルクの性質で決まるので、デバイスプロセスに対する依存性は殆どなくなる。また、従来の技術では不可能であった、３つ以上の超伝導オーダーパラメータ間のジョセフソン接合（Josephson junction）も可能になる。
【００３８】
ソリトンを使うことによって、磁場を発生させないでエネルギーを蓄積することができる。このような配置は、複数の秩序パラメータ間の位相差ソリトンで実現することができる。
【００３９】
次に本発明に依る記録方法、演算する演算方法、情報伝達方法、エネルギー蓄積方法、磁束計測方法及び量子ビットの構成方法を図面に基づき個別に説明する。
【００４０】
情報記録方法
図４に、本発明の超伝導体リング（以下、リング）にソリトンを記録する方法の一例を概念的に示す。超伝導体は複数のバンドを有する超伝導体としてCuxBa2Ca3CuOy 等を使用する。リングＲの超伝導スイッチ（以下、スイッチ）Ｒ0 をオンにしてリングＲを形成し（図４（ａ））、磁場Ｂをリング内に印加してリング内に磁束を通過させるとリングＲにソリトンＳが発生する（図４（ｂ））。印加磁場をなくし、スイッチＲ0 をオフにてもソリトンＳは存在する（図４（ｃ））。スイッチＲ0 をオンにすると境界条件により磁束Φが発生する。逆方向の磁場Ｂ’をリング内に印加すると、磁束は打ち消しあって永久循環電流は流れない（図４（ｄ））。
【００４１】
図４（ｃ）が記憶状態、図４（ｄ）が記憶消去動作に対応している。また、超伝導体を高温にすることでも、記憶を消去することができる。磁場を逆方向に印加すると、逆方向のソリトンＳ’が発生する。ソリトンＳ，Ｓ’をそれぞれ「１」，「０」に対応させることにより、デジタル情報を記憶することができる。
【００４２】
演算方法
図５に、本発明の演算方法の一例を概念的に示す。２つのリングＲA ，ＲB を２つの切替えスイッチＡ0 ，Ｂ0 により１つのリングに接続替えする超伝導回路である。スイッチＡ0 を端子ａに、スイッチＢ0 を端子ｂに接続して２つのリングＲA ，ＲB を構成し（図５（ａ））、リングＲA ，ＲB 内にそれぞれ磁束ΦA ，ΦB を通過させると、リングＲA ，ＲB にソリトンＳA ，ＳB が発生する（図５（ｂ））。磁束ΦA ，ΦB はそれぞれ１個のソリトンを発生する量の磁束である。磁束ΦA ，ΦB を繰り返しリングに印加して演算に対応するソリトンを発生させる。ソリトンはスイッチＡ0 ，Ｂ0 をオフにしても存在する（図５（ｃ））。スイッチＡ0 を端子ｂにスイッチＢ0 を端子ａに接続して、１つのリングを構成すると、境界条件により超伝導電流ＩA ，ＩB が流れ、この合成電流により磁束Φが発生する。この磁束を計測すればソリトンの和（図５（ｂ）のように印加磁束を反対にすれば差）を演算することができる。
【００４３】
複数のソリトンとアンチソリトンが存在すると、その両者で発生する位相スリップの合計の効果をｈ／２ｅの整数倍から差し引いたものが、リングに捕らえられる磁束になるので、ソリトン、アンチソリトンの足し算という演算を、このリングで行うことができる。
【００４４】
情報伝達方法
図６に、本発明による情報伝達方法の一例を示す。図６（ａ）はリングＲA 〜ＲE のつながりで構成される超伝導体回路を示す。Ａ0 〜Ｅ0 はスイッチを表す。スイッチＡ0 をオンにして、リングＲA に磁場Ｂを印加して、磁束を発生させる。すると、ソリトンＳがリングＲA に発生する（図６（ｂ））。ソリトンを発生させた後、スイッチＢ0 をオンして、磁場を切る。アンチソリトンＳ’ができないよりも、できた方がエネルギーが低くなるようにバンドパラメータを調整すると、磁束は超伝導体ＬA に巻き付き、ソリトンＳはリングＲA ，ＲB の外側に発生する（図６（ｃ））。
【００４５】
次に、スイッチＣ0 をオンにする（図６（ｄ））。スイッチＡ0 をオフにすると（図６（ｅ））、次のリングＲB ，ＲC の外側のリングに移動した方がエネルギーが得になるので、ソリトンはリングＲB ，ＲC に移動する。印加された磁束に対応した情報（Ｓ，Ｓ’）が伝送される。図と逆の磁場を印加すれば情報（Ｓ’，Ｓ）が伝送されることになる。これらの対の情報を「１」，「０」に対応させればデジタル情報を伝送することができる。
【００４６】
エネルギー蓄積方法
図７に、本発明によるエネルギー蓄積方法の一例を示す。
スイッチＺ0 を端子ａに接続し、スイッチＲ0 をオンにして、リングＲを形成し、磁場Ｂをリング内に印加すると、リングＲにソリトンＳが発生する（図７（ｂ））。スイッチＲ0 をオフにしてから印加磁場をなくすると、ソリトンＳは超伝導線路Ｚに進行し、ここにソリトンＳは蓄積される（図７（ｃ））。スイッチＺ0 を端子ｂに接続すると、ソリトンは超伝導線路に確実に存在する（図７（ｄ））。スイッチＲ0 をオンにすると、境界条件により永久電流が流れ、超伝導トランスＴを介して超伝導線路に蓄積されたエネルギーは出力される（図７（ｅ））。エネルギー蓄積量は印加磁場の印加回数によって決まる。
【００４７】
磁束計測方法
図８に、本発明の磁束計測方法の一例を実施する計測装置例を示す。ソリトンがないときには、超伝導リングに捕らえられる磁束は、境界条件からΦ＝ｈ／２ｅの整数倍である。しかし、図８に示すように、ソリトンが１個入ると、境界条件が変わり、捕らえられたソリトンによる位相差の分をキャンセルするように超伝導電流が流れなければならなくなる。この超伝導電流によって超伝導リングの内部に発生する磁束は、式（１５）からΦ0 ＝ｈ／２ｅの整数倍からソリトンによって発生する位相スリップ（１／（２π）×ｈ／２ｅ）を差し引いたものになる。このように、Φ0 ＝ｈ／２ｅで定義される磁束量子単位より小さな磁束を計測することができる。
【００４８】
図８のリングＲに捕らえられた磁束は、リングにソリトンを発生させる。発生されたソリトンがｎ1 個の場合、式（１８）から式（１９）となり、タンク回路の出力電圧ＶT は次の式（１９）のΦに比例した出力となる。この検出回路の原理はＲｆＳＱＵＩＤと同じ原理である。
【００４９】
【数１９】
0004061372.tif 000020
【００５０】
Φsoliton とΦ0 により発生する信号の周期の差を図８のＣＰＵで弁別してΦsoliton を算出する。Φsoliton 単位の磁束Φ0 に比べて、超伝導体材料のｍ1 ，ｍ2 ，Ｎ1 ，Ｎ2 等の定数で決まり（式（１２）参照）、例えばソリトン単位の磁束計測は１／２程度分解能が高い。検出されたΦsoliton は表示／記録装置によって外部磁束の計測値を表示、記録する。
【００５１】
量子ビットの構成方法
図９に、本発明の量子ビット構成方法の一例を示す。図９は、３量子ビットを構成する例を示し、二重線はマルチバンド超伝導体電線を示し、単線は通常の超伝導体若しくは、マルチバンド超伝導体電線を示す。また、数字１、２、３、１’、２’、３’は電線の繋がりの仕方を示す。先ずスイッチＣ1 〜Ｃ3 及びスイッチＤ1 〜Ｄ3 をＯＮにして参照超伝導体Θ＝０と二重線で示した三つのマルチバンド超伝導体の位相を揃え、ソリトンを無くす。必要であれば、図４に示したような方法で外場によりソリトンを無くす。
【００５２】
次に、すべてのスイッチＡ、Ｂ、スイッチＣ1 〜Ｃ3 、スイッチＤ1 〜Ｄ3 をＯＦＦにする。
その後、それぞれソリトン生成エネルギーと同じだけのエネルギーを持つ光量子を光源から超伝導体に照射し、ソリトン、アンチソリトンを５０％、５０％の確率で発生させる。発生したソリトン、アンチソリトンはそれぞれ三つのマルチバンド超伝導体でトラップされ、超伝導体中にソリトンとアンチソリトンの重ね合わせた状態が発生する。このソリトンとアンチソリトンの重ね合わせた状態が、１ＱｕＢｉｔ（１量子ビット）に相当する。
【００５３】
量子ビット間の演算は、スイッチＡ、ＢのＯＮ、ＯＦＦ状態を任意の組合わせで、任意の時間間隔、任意の時間だけ、任意の回数行うことにより実現できる。演算後、スイッチＣ1 〜Ｃ3 、スイッチＤ1 〜Ｄ3 をＯＮにして参照超伝導体の間とマルチバンド超伝導体の間に流れる超伝導電流の大きさを測定し、ＱｕＢｉｔの状態を観測する。
【００５４】
【発明の効果】
上記のように、複数秩序パラメータ間の位相差を利用して、情報の記録、伝達、演算が可能となり、空間的配置によるジョセフソン装置の界面をなくした超伝導エレクトロニクスの制御原理として有用である。エネルギー応用としては、不可逆磁界が低くても動作可能な磁束の発生を伴わないエネルギ―蓄積技術としても有用である。また、集積化の技術は既存の超伝導ディバイス作製技術と同等もしくはそれより簡易なため、複数秩序パラメータ間の位相差を利用して、集積化が容易に可能な量子ビットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に依る複数バンドを有する超伝導体の秩序パラメータを説明する図である。
【図２】複数バンドを有する超伝導体に発生したソリトンを説明する図である。
【図３】複数バンドを有する超伝導体に発生した秩序パラメータ間の位相差回転を示す図である。
【図４】本発明の記録方法を説明する図である。
【図５】本発明の演算方法を説明する図である。
【図６】本発明の情報伝送方法を説明する図である。
【図７】本発明のエネルギー蓄積方法を説明する図である。
【図８】本発明の磁束計測方法を説明する図である。
【図９】本発明の量子ビット構成方法を説明する図である。
【符号の説明】
Ｓ1 ，Ｓ2 ，ＳA ，ＳB   ソリトン
Ｓ’                    アンチソリトン
Ψ1 ，Ψ2               秩序パラメータ
θ1 ，θ2               秩序パラメータの位相
Θsoliton               位相差スリップ
Ｚ                      超伝導線路
Ｒ，ＲA 〜ＲE           超伝導リング
Ａ0 〜Ｅ0 ，Ｒ0 ，Ｚ0   超伝導スイッチ
Φ0                     磁束量子
【図１】
0004061372.tif 000021
【図２】
0004061372.tif 000022
【図３】
0004061372.tif 000023
【図４】
0004061372.tif 000024
【図５】
0004061372.tif 000025
【図６】
0004061372.tif 000026
【図７】
0004061372.tif 000027
【図８】
0004061372.tif 000028
【図９】
0004061372.tif 000029