2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Quantum Mechanical Limit of Operating Speed in Single-Flux-Quantum Circuits
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18H01498
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10377864)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 単一磁束量子回路 / 超伝導デバイス / 量子ゆらぎ / 超伝導トンネル接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高速性と低エネルギー性を両立する超伝導単一磁束量子回路（SFQ回路）により、量子力学的不確定性（ΔE Δt ~ h）に迫る領域、即ち低エネルギー動作と高速動作が両立できる条件での論理回路を追究することを目的としている。
2019年度は、大規模集積回路技術が十分に確立している、ニオブ集積回路技術を用いて、単一磁束量子回路の高周波設計のさらなる追求と動作実証を引き続き進めた。消費エネルギーと動作速度のトレードオフに関する具体的な設計事例としては、低電圧駆動により、算術論理演算器（ALU）を0.3mW, 30GHzで動作させることに成功している。この設計は、低エネルギー動作時のタイミングパラメータ（遅延やセットアップ時間／ホールド時間などのタイミング制約）のゆらぎを数値解析で解析し、論理ゲートやシフトレジスタを対象とした回路シミュレーションで得られた知見に基づくものとなっている。また、当初想定していた低電圧駆動や低電流化に加え、高速低エネルギー性を追求する別の手法として、半磁束量子を情報担体とした回路についても平行して数値計算を中心に解析を進めてきたが、今年度は回路を構成する基本単位となる超伝導ループの作り方や、回路パラメータが消費エネルギーや動作速度にどのように影響を与えるのかを詳細に検討した。
ニオブ接合より高速動作が期待できる、窒化ニオブ接合については、デバイス作製と評価を進めるとともに、他機関のデバイスとのパラメータ比較を行い、回路設計モデルの見直しを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究においては、高速性と低エネルギー性の両面の追究が鍵である。確立しているニオブ接合を用い、単一磁束量子回路の高速性と低エネルギー化について数値解析と実験により検討を進めているが、低エネルギー化を進めた大規模回路においても、高周波での動作実証に成功するなど、両者のトレードオフの制御技術は確実に進展していると言える。ただし、タイミングパラメータに関する基礎実験において、数値解析と実験結果が一致しない部分もあり、系統的な実験を継続する必要がある。また、熱雑音による影響を取り入れたシミュレーションについては、複数の回路シミュレータを用いて結果の比較を進めているところである。
単一磁束量子回路をより高速に動作させることについては、窒化ニオブ接合による置き換えを目指して研究を進めた。設計にはデバイスモデルの精度が重要となるため、他機関の作製したデバイスも参考に進め、今後、回路の評価を行う予定である。
なお、回路は熱雑音の影響も受けるため、温度依存の調査も必須となる。このための計測環境の整備も進めている。以上から、本研究は概ね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
高速性と低消費電力性の両面を追求して設計した、単一磁束量子回路において、タイミング揺らぎやビット誤り率を精密に計測することにより、論理回路における量子力学的揺らぎの効果を明らかにすることを目指す。(1) デバイス作製プロセス、(2) 回路設計、(3) 高周波精密計測の3つの項目に対
して以下のように進める。
項目(1)のデバイス作製プロセスについては、昨年度に続き、窒化ニオブを用い、回路作製に適用可能な特性をもつジョセフソン接合の作製と集積回路設計に向けたデバイスモデルの精緻化を進める。
項目(2)の回路設計については、これまでに得られた、低エネルギー回路におけるビット誤り率に関する知見や、デバイスモデルを反映し、アナログ回路シミュレーションを用いて回路パラメータの見直しを行う。オンチップ高周波テストのためのシフトレジスタや、タイミング揺らぎを評価するためのリング発振回路などの設計を行う。
項目(3)の極低温高周波計測については、引き続き、低エネルギー化した小規模SFQ回路やリングオシレータを評価する。液体ヘリウム温度（4K）またはそれ以下での温度での回路動作を調べる。系統的なデータを効率よく取得するため、多ピンの低温プローブを用いて効率的に計測が行えるよう、測定環境の整備も行う。
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Research Products
(20 results)
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[Presentation] Development of 50-GHz, high-throughput rapid single-flux-quantum circuits toward ultra-fast, energy-efficient computing2020
Author(s)
M. Tanaka, I. Nagaoka, K. Sano, T. Yamashita, K. Ishida, T. Ono, K. Inoue, and A. Fujimaki
Organizer
10th Asian Conference on Applied Superconductivity and Cryogenics (ACASC), 2nd International Cryogenic Materials Conference in Asia (Asian-ICMC), and CSSJ Joint Conference
Int'l Joint Research / Invited
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