2020 Fiscal Year Annual Research Report
Research on Ultra-Low-Power Sub-terahertz Superconductor Quantum Digital Systems Based on Pulse-Driven Circuit Technology
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18H05211
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
藤巻 朗 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20183931)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高木 直史 京都大学, 情報学研究科, 教授 (10171422)
牧瀬 圭正 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 特定フェロー (60363321)
山下 太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60567254)
吉川 信行 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70202398)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 単一磁束量子 / 半磁束量子 / パルス論理 / π接合 / 磁性ジョセフソン接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、パルス論理集積回路設計技術の高度化をベースとしたSFQマイクロプロセッサ（MPU）の開発、それに向けた超伝導集積回路作製プロセスの高度化、ならびに通常のジョセフソン接合（0接合）と磁性ジョセフソン接合（pi接合）からなる量子干渉素子（0-pi SQUID）に基づくマトリクスメモリのパルスによる駆動、量子極限における古典計算の挙動の解明をテーマに研究を進めている。
パルス論理集積回路にもとづくMPUは、4ビット幅のMPUの30GHz動作、8ビット幅のデータパスの64GHz動作に成功した。そこに応用する設計技術については、パルスの伝搬遅延時間を考慮した配置配線技術を開発した。
超伝導集積回路作製プロセスの高度化については、主に0接合の高臨界電流密度化に取り組んだ。AlOxトンネル障壁から電極であるNbへの酸素の拡散を抑制し、現在の3倍の臨界電流密度を実現した。1.5倍の高速化が見込める。
0-pi SQUIDは、パルス駆動メモリと半磁束量子回路の基本要素となる。単一磁束量子回路での0接合の代わりに0-pi SQUIDを用いることで、実効臨界電流値が1桁下がるほか、スイッチングに伴う超伝導波動関数の位相差の変化が半分となる。2020年度は、半磁束量子回路を従来より低い電圧で駆動することにより、熱雑音の数十倍のエネルギー消費で回路動作可能なことを数値解析によって導いた。また、2つの0-pi SQUIDを超伝導ループに組み入れた構造のSQUIDの磁場応答を観測することで、半磁束量子単位での臨界電流の変調を世界で初めて観測した。また量子揺らぎの影響を観測するため、10mKで動作する半磁束量子回路作製プロセスの開発に着手した。メモリについては、単一磁束量子に伴うパルスによって、0-pi SQUIDへの2値信号の書き込みが可能であることを実証し、さらなる大規模化への設計を進めた。
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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
学術的観点から見ると、半磁束量子回路の学理の追究が、2020年度の目標となっていた。単一磁束量子回路では、信号は磁束を伴うが、半磁束量子回路では非常に小さい。この点が、動作の理解を妨げていた。半磁束量子回路の情報担体が、波動関数の位相のねじれ（空間変化）であることを実証するためには、半磁束量子回路のSQUIDにおいて、臨界電流が半磁束量子単位で変調することを示すことが求められた。産総研のNbベースの集積回路の上に磁性ジョセフソン接合を形成することで、集積化に耐え得る半磁束量子回路作製プロセスを確立し、上記実証に至った。また、磁性ジョセフソン接合だけでも半磁束量子回路が構成できることを導き、同様な実験によって半磁束量子単位の変調を観測している。これにより、情報担体の本質が、位相のねじれであることを示すとともに、回路パラメータを調節することで、熱揺らぎや量子揺らぎに迫る領域での回路動作が可能であることを示した。パルス駆動メモリは、動的に回路パラメータを変更させることで、書き込みや読み出しを行う回路となる。パルスでの書き込みに成功しており、また内部状態の読出しにも成功していることから、最終目標であるマトリクスメモリの形成の目途は立ちつつある。
0-pi SQUIDは、外力が無い状態で、上向きの半磁束量子と下向きの半磁束量子の2状態を取り得、電子のスピンと同じ物理的描像が成り立つ。この点に着目し、新たな研究テーマとして超伝導人工スピンを追加した。すでに、磁化に対応する現象は確認できている。
一方工学的な見地からは、MPUの開発はほぼ順調に進み、低速ではあるが目標である8ビット幅MPUの完全動作にも成功している。この設計を支えるCADツールの開発も順調である。メモリの大規模化が計画よりやや遅れているものの、作製回路が確立したことから、この遅れは十分に回復できるものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
すでに述べたように、研究課題は、大きく3つに分類できる。１つはパルス駆動の高速MPUの開発、2つ目は磁性接合によるパルス駆動のマトリクスメモリを中心とする半磁束量子回路の実証と学理の確立、3つ目が半磁束量子回路による量子極限環境での動作実験である。
高速MPUについては、大規模化に伴い、各論理ゲートに到来する信号のタイミングのよりいっそうの厳密制御が求められる。これについては、配線長の調整やジョセフソン接合の遅延制御技術を取り込み、CADにも組み込むことで対応する。。大規模回路作製プロセスについては、さらなる高速化が期待できる高臨界電流密度プロセスを立ち上げ、この技術をもとにしたマイクロプロセッサの試作・動作検証を行う。
半磁束量子回路については、幾つかの論理ゲート等の実証を目指し、単一磁束量子回路と比較し、どの程度の低消費電力化が図れるかを検証する。また半磁束量子回路に基づくパルス駆動マトリクスメモリについては、アレイ化の検討を進め、アクセス時間などの評価を目標とした実験を進める。加えて、マイクロプロセッサとメモリの三次元実装に向け、低融点はんだによる接合開発技術を進める。同時に、パルス伝搬特性の評価を試みる。量子限界に近い環境での半磁束量子回路の動作の実証には、低臨界電流密度の磁性ジョセフソン接合による回路作製技術が必要となる。この技術を世界に先駆け確立する。同時に、希釈冷凍機下で半磁束量子回路の比較器、もしくは遅延フリップフロップの回路動作を評価する。半磁束量子回路では、外部入力により古典的に定義される2つの論理信号間のエネルギー差を制御できる。この特徴も活かし、量子ゆらぎと誤り率の関係の抽出を試み、量子ゆらぎが無視できないほど小さなエネルギーの信号における古典計算の振る舞いを明らかにする。
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Research Products
(38 results)
