位相エンジニアリングで拓く100GHz超・極低電力半磁束量子回路の学理と応用

• Project/Area Number: 16H02340
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 藤巻 朗 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20183931)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤池 宏之 大同大学, 工学部, 教授 (20273287)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥44,460,000 (Direct Cost: ¥34,200,000、Indirect Cost: ¥10,260,000); Fiscal Year 2018: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2017: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2016: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
• Keywords: 半磁束量子回路 / 単一磁束量子回路 / π接合 / 磁性ジョセフソン接合 / 超伝導位相エンジニアリング / 単一磁束量子 / 半磁束量子 / 超伝導材料・素子 / 電子デバイス・機器 / 超伝導集積回路 / 位相エンジニアリング / 超伝導

Outline of Annual Research Achievements

本研究で提案・研究を進めてきた半磁束量子回路は、超伝導巨視的波動関数の位相が強磁性体内の交換相互作用によりπだけシフトすることを利用したπシフトジョセフソン接合（以降、π接合）をベースとしている。本研究では、高速動作を念頭に置き、超伝導体‐強磁性体‐トンネル障壁-超伝導体の4層構造を持ったジョセフソン接合を想定した。超伝導体にはNb、強磁性体にはPdNi合金、トンネル障壁はAlOxを用いている。
平成29年度までに、半磁束量子回路の構成法には、いくつかの種類があることを数値計算によって明らかにした。その中で、もっとも高速性と低消費電力性に優れた方式は、従来のジョセフソン接合（以降、0接合）とπ接合、それぞれ1個を超伝導ループに持つ0-π SQUIDを、確立された単一磁束量子回路の単独0接合と置き換える方式である。精度の高い見積もりは今後の課題であるが、1.5倍以上の高速性、7割以上の低消費電力化が見込まれる。回路の重要な品質パラメータとなる電力・遅延積で評価すると、1桁以上の向上が期待できる。
平成30年度は、この半磁束量子回路の具現化を試みた。しかしながら、実際に、0接合とπ接合を同一基板上にパラメータを制御しつつ集積化することは困難である。そこで、π接合3個によって構成されるSQUID（π3 SQUID）を0-π SQUIDの代わりに用いることとした。幾つかのレイアウトを設計し、現在試作を進めている段階である。π3 SQUIDの幾つかは、0-π SQUIDとして振舞うことを示唆する実験結果を得ている。今後は、π接合の作製制御性を高めると同時に、産総研の協力を得て、単一磁束量子集積回路上にπ接合を形成することを計画している。この方法の採用により、直接的に0-π SQUIDの形成が可能となり、一気に集積度の高い半磁束量子回路の作製が可能となると考えている。

Research Progress Status

30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 単一磁束量子回路に基づくマイクロプロセッサの動向と展望 (2017)
  • Author(s): 田中雅光、藤巻朗、井上弘士
  • Journal Title: 低温工学 Volume: 52
  • NAID: 130006183699
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation into the individual configuration of superconducting phase shift elements made of ferromagnetic patterns for reconfigurable circuits (2017)
  • Author(s): S. Taniguchi, H. Ito, K. Ishikawa, S. Kurokawa, M. Tanaka, H. Akaike, and A. Fujimaki
  • Journal Title: IEEE Transaction on Applied Superconductivity Volume: 27 Issue: 4 Pages: 1501204-1501204
  • DOI: 10.1109/tasc.2016.2642054
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication of superconductor-ferromagnet-insulator-superconductor Josephson junctions with critical current uniformity applicable to integrated circuits (2016)
  • Author(s): Hiroshi Ito, Soya Taniguchi, Kouta Ishikawa, Hiroyuki Akaike and Akira Fujimaki
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 10 - 3
  • NAID: 210000135788
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] πシフトジョセフソン接合を用いた超伝導デジタル回路の設計 (2018)
  • Author(s): 神谷智大, 谷口壮耶, 佐野京佑, 田中雅光, 藤巻朗
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 強磁性マトリクスメモリと断熱型量子磁束パラメトロンによる読み出し回路の設計と試作 (2018)
  • Author(s): 岩下颯斗, 谷口壮耶, 加藤悠輝, 佐野京佑, 田中雅光, 藤巻朗
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ナノクライオトロンの作製と静特性評価 (2018)
  • Author(s): 丸山晃平, 鈴木雅斗, 佐野京佑, 田中雅光, 藤巻朗, 井上 真澄
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Low-power half single flux quantum circuits using π-shifted Josephson junctions (2018)
  • Author(s): T. Kamiya, S. Taniguchi, K. Sano, M. Tanaka, A. Fujimaki
  • Organizer: 1th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2018) / 6th CRAVITY Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁性体を用いた単一磁束量子ルックアップテーブルの高速動作実証 (2017)
  • Author(s): 谷口壮耶, 伊藤大, 栗原卓也, 田中雅光, 赤池宏之, 藤巻朗
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 超伝導ストリップライン検出器における読み出し回路の評価 (2017)
  • Author(s): 岩下 颯斗, 神谷 恭平, 田中 雅光, Bozbey Ali, 赤池 宏之, 藤巻 朗
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Demonstration of stored program computing in a 50-GHz SFQ microprocessor with embedded memories (2017)
  • Author(s): Akira Fujimaki, Ryo Sato, Yuki Hatanaka, Hiroyuki. Akaike, Kazuyoshi Takagi, Naofumi Takagi, and Masamitsu Tanaka
  • Organizer: 10th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2017)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-02-20
• [Presentation] Difference of detection sensitivity by readout circuits in superconducting strip line detectors (2017)
  • Author(s): Hayato Iwashita, Kyohei Kamiya, Masamitsu Tanaka, Hiroyuki Akaike, Akira Fujimaki, and Ali. Bozbey
  • Organizer: 10th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2017)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-02-20
• [Presentation] Evaluation of a SFQ look-up table based on superconducting phase shift elements for reconfigurable circuits (2017)
  • Author(s): Soya Taniguchi, Hiroshi Ito, Takuya Kurihara, Masamitsu Tanaka, Hiroyuki Akaike, and Akira Fujimaki
  • Organizer: 10th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2017)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-02-20
• [Presentation] Numerical analysis of rapid single-flux-quantum circuits composed of 0- and π-shifted Josephson junctions (2017)
  • Author(s): T. Kamiya, S. Taniguchi, K. Sano, M. Tanaka, A. Fujimaki
  • Organizer: 30th International Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cryogenic Digital Electronics (2017)
  • Author(s): A. Fujimaki, M. Tanaka
  • Organizer: 30th International Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Execution of stored programs in a single flux quantum microprocessor with embedded memories at 50 GHz (2017)
  • Author(s): A. Fujimaki, M. Tanaka
  • Organizer: 13th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超伝導デジタル回路のための磁性体を用いた超伝導整流素子の開発 (2017)
  • Author(s): 谷口壮耶, 神谷智大, 岩下颯斗, 佐野京佑, 田中雅光, 藤巻朗
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 磁性体を用いた単一磁束量子4入力ルックアップテーブルの動作実証 (2017)
  • Author(s): 岩下颯斗, 谷口壮耶, 田中雅光, 藤巻朗
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 熱拡散効果を取り入れた熱援用ナノ構造デバイスモデルの検討 (2017)
  • Author(s): 佐野京佑, 鈴木雅斗, 丸山晃平, 田中雅光, 藤巻朗, 井上真澄
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Monolithic image sensor chips with highly sensitive single-flux-quantum readout circuits (2017)
  • Author(s): A. Fujimaki, K. Kamiya, H. Iwashita, M. Tanaka, A. Bozbey
  • Organizer: 16th International Superconductive Electronics Conference (ISEC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact of recent advancement in cryogenic circuit technology (2017)
  • Author(s): A. Fujimaki, M. Tanaka
  • Organizer: 16th International Superconductive Electronics Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] プログラム実行のための最小構成単一磁束量子マイクロプロセッサCORE e2 の試作と評価 (2016)
  • Author(s): 佐藤 諒, 田中雅光, 畑中湧貴, 藤巻 朗, 赤池宏之, 高木直史, 高木一義
  • Organizer: 電子情報通信学会2016年ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌市）
  • Year and Date: 2016-09-20
• [Presentation] 100万画素中性子イメージングに向けた超伝導細線検出器アレイと単一磁束量子読み出し回路の開発 (2016)
  • Author(s): 藤巻朗, 神谷恭平, 内藤亮介, 上阪岬, 田中雅光, 赤池宏之
  • Organizer: 電子情報通信学会2016年ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌市）
  • Year and Date: 2016-09-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] 整流素子及び超伝導回路用の電源回路 (2017)
  • Inventor(s): 藤巻朗、田中雅光、谷口壮耶
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-064951
  • Filing Date: 2017-03-29
• [Funded Workshop] Eleventh Superconducting SFQ VLSI Workshop (2018)
• [Funded Workshop] 10th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2017) (2017)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-02-20