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2020 Fiscal Year Annual Research Report

Study on programmable adiabatic superconductor circuits using magnetic Josephson junctions

Research Project

Project/Area Number 18H01493
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

竹内 尚輝  横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山下 太郎  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60567254)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords超伝導集積回路 / 磁束量子パラメトロン / 磁性ジョセフソン接合 / プログラマブル
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、磁性ジョセフソン接合であるπ接合を超伝導ロジックAQFPに取り入れることで、プログラマブルな超伝導回路の実現を目指す。2020年度は当初の計画通り、プログラマブルAQFP回路の作製と動作実証に取り組んだ。
前年度までに構築したπ接合-AQFP回路作製の基盤技術をベースとして、実際の回路素子の作製と改良に取り組んだ。作製素子の評価結果を踏まえ、AQFP回路部とπ接合部の結合方法や素子構造、π接合材料等の詳細な検討を行った。それを元に作製プロセスの改良と試作を繰り返し、最終的にはNb4層プロセスにより作製されたAQFP回路上に、π接合を後工程により作製・結合する回路作製手法を採用・作製した結果、本研究の目標であったπ接合が機能しているプログラマブルAQFP回路の開発に成功した。
作製されたプログラマブルAQFP回路(AND/ORゲート、ルックアップテーブル)の評価を液体ヘリウム中で行った。まず初めに、プログラマブル回路と同じチップ上に作製された二種類の超伝導量子干渉計(SQUID)を評価した。ここで、片方のSQUIDにのみπ接合が含まれている。測定の結果、二種類のSQUIDは周期がπだけずれた電圧/磁束特性を示し、π接合によって想定通りに超伝導体の位相がシフトされていることを確認した。次に、π接合を含む超伝導ループをメモリ(πメモリ)として用いることで論理機能を切り替え可能な、AND/ORゲートの動作実証を行った。πメモリの値を変更することで、想定通りにANDとORの論理演算を切替え可能なことを示した。さらに、4つのπメモリの値を変更することで任意の2入力論理演算を実行可能なルックアップテーブルの動作実証を行い、すべての論理機能を切り替え可能であることを示した。以上より、π接合により論理機能を切替可能なプログラマブルAQFP回路の動作実証に成功した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (13 results)

All 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Impedance Design of Excitation Lines in Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic Using InductEx2021

    • Author(s)
      Takeuchi Naoki、Suzuki Hideo、Fourie Coenrad J.、Yoshikawa Nobuyuki
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 31 Pages: 1300605

    • DOI

      10.1109/TASC.2021.3058080

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Design and Demonstration of Directly Coupled Quantum-Flux-Parametron Circuits With Optimized Parameters2021

    • Author(s)
      Ishida Ryohei、Takeuchi Naoki、Yamae Taiki、Yoshikawa Nobuyuki
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 31 Pages: 1100505

    • DOI

      10.1109/TASC.2021.3059723

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Magnetic Josephson junctions: new phenomena and physics with diluted alloy, conventional ferromagnet, and multilayer barriers2021

    • Author(s)
      Yamashita Taro
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1587/transele.2020SUI0004

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Directly coupled adiabatic superconductor logic2020

    • Author(s)
      Takeuchi Naoki、Arai Kota、Yoshikawa Nobuyuki
    • Journal Title

      Superconductor Science and Technology

      Volume: 33 Pages: 065002

    • DOI

      10.1088/1361-6668/ab87ad

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] π phase shifter based on NbN-based ferromagnetic Josephson junction on a silicon substrate2020

    • Author(s)
      Yamashita Taro、Kim Sunmi、Kato Haruki、Qiu Wei、Semba Kouichi、Fujimaki Akira、Terai Hirotaka
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: 13687

    • DOI

      10.1038/s41598-020-70766-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 断熱磁束量子パラメトロンによる超低電力コンピューティング2021

    • Author(s)
      竹内 尚輝
    • Organizer
      2021年電子情報通信学会総合大会
    • Invited
  • [Presentation] Impedance design of excitation lines in adiabatic quantum-flux-parametron logic using InductEx2021

    • Author(s)
      N. Takeuchi, H. Suzuki, C. J. Fourie, and N. Yoshikawa
    • Organizer
      Applied Superconductivity Conference 2020 (ASC 2020)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] NbN-based Josephson junction with PdNi-ferromagnetic barrier2021

    • Author(s)
      Duong Pham, Riku Sugimoto, Hayate Nakamura, Masamitsu Tanaka, Taro Yamashita, Akira Fujimaki
    • Organizer
      American Physical Society (APS) March Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 断熱磁束量子パラメトロン ―様々な情報システムへの応用と今後の展望―2020

    • Author(s)
      竹内 尚輝
    • Organizer
      日本学術振興会超伝導エレクトロニクス第146委員会・合同分科会
    • Invited
  • [Presentation] Design and demonstration of directly-coupled quantum-flux-parametron circuits with optimized circuit parameters2020

    • Author(s)
      R. Ishida, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • Organizer
      Applied Superconductivity Conference 2020 (ASC 2020)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 直結式量子磁束パラメトロン回路における配線長の改善2020

    • Author(s)
      石田 椋平, 竹内 尚輝, 山栄 大樹, 吉川 信行
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 最適回路パラメータを用いた直結式量子磁束パラメトロン回路の動作実証2020

    • Author(s)
      石田 椋平, 竹内 尚輝, 山栄 大樹, 吉川 信行
    • Organizer
      2020年度春季低温工学・超電導学会
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 磁束バイアス回路2021

    • Inventor(s)
      竹内 尚輝, 吉川 信行, 橋本 義仁, 山本 剛, 平山 文紀
    • Industrial Property Rights Holder
      横浜国立大学, 日本電気, 産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2021-068575

URL: 

Published: 2021-12-27  

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