JPH0640593B2 - 超伝導量子干渉計ゲ−ト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超伝導量子干渉計ゲートに関する。

（従来の技術） 従来、ジョセフソン接合デジタル回路では、超伝導ルー
プにジョセフソン接合を含んだ超伝導量子干渉計ゲート
が論理回路あるいは記憶回路として使用されている。

第２図は従来の超伝導量子干渉計ゲートの第１の例の斜
視図である。

第２図中、１は下部電極、２は上部電極、３は絶縁膜、
４は制御膜、５はジョセフソン接合、６は超伝導ルー
プ、７は互いに垂直な単位ベクトル ８はダンピング抵抗である。

このような超伝導量子干渉計ゲートは、ゲート電流Ｉ_ｇ
によりバイアスされ、制御線４に流れる電流Ｉ_inによっ
て電圧状態にスイッチする。干渉計ゲートの共振モード
を取除くためのダンピング抵抗８のインダクタンスは、
超伝導ループ６のインダクタンスよりも十分小さく設計
されている。この超伝導ループ６の下には絶縁膜１０を
介して超伝導薄膜よりなる接地面９が設けられている。
干渉計型の回路の外部磁場及び制御電流Ｉ_inの依存性
は、次の式によって表わされる： (1)式において、Δθは超伝導ループ中のジョセフソン
接合５を介した超伝導オーダーパラメーターの位相の
差，Φ_ｏは磁束量子、Φ_exは外部磁束，Φ_ｓは超伝導ル
ープに流れる遮蔽電流によって生成される磁束，Ｉ_inは
ゲートへの入力信号電流，Ｍは超伝導ループ６と入力コ
イル間の相互インダクタンスである。

第(1)式で明らかなように、入力信号により発生し回路
を動作させる磁束Ｉ_inＭと外部磁束Φ_exは完全に等価で
あり、干渉計回路は両者に対し同様に反応する。従っ
て、外部磁束Φ_exの存在或いはΦ_exの変動は干渉計型ゲ
ートの誤動作を引起す原因となる。外部磁束Φ_exは次の
式によって表わされる： (2)式中右側の最初の項はバックグランドにある磁場に
よるもので は超伝導ループ６に垂直な単位ベクトル、 は干渉計を貫く磁場であり、これは空間の関数である、
積分∫ｄＡ₁は超伝導ループ内部の に垂直な平面につき行なう。(2)式の右側第２項は超伝
導接地面９にトラップされた磁束によるもので、Ｎは干
渉計を貫いてトラップされている磁束の数、Ｋは超伝導
接地面９と超伝導ループ６との間の結合係数である。Ａ
_１の大きさは、通常約１００μｍ^２程である。三重磁気
遮蔽、超伝導接地面などを使った実験環境下での外部磁
場Ｂ１μＧとすると、(2)式の第１項は５×１０^-6Φ
_ｏ程であるが、第２項はＮ＝１，Ｋ＝０．５とすると
０．５Φ_oである。従って、もし超伝導接地面９にトラ
ップされた磁束がある場合、外部磁場による影響はほと
んどがこのトラップ磁束によるものである。実際に量子
干渉計ゲートの動作においては、この磁束トラッピング
現象は非常に頻繁に起り、超伝導量子干渉計ゲートの誤
動作を引起し、超伝導量子干渉計ゲートの正常動作の大
きな障害の一つであると考えられている。また、トラッ
プ以外のほぼ均等な分布をしたバックグランド磁場によ
る影響も、前記の磁気遮蔽を使わぬ場合、または不用意
に磁性物が装置環境内に混入している場合などでは、や
はり大きく超伝導量子干渉計ゲートの誤動作を引起す場
合がある。

第３図は従来の超伝導量子干渉計ゲートの第２の例の斜
視図である。

この超伝導量子干渉計ゲートは、超伝導接地面９にトラ
ップされた磁束の影響を受けないように立体型に作られ
たものである。第３図において、１は下部電極、２は上
部電極、３は絶縁膜、４は制御線、５はジョセフソン接
合、６は超伝導ループ、７は単位ベクトル ９は干渉計の下に絶縁膜１０を介して設置している超伝
導接地面である。

このような干渉計ゲートに対して、接地面にトラップさ
れている磁束はその方向が干渉計ループと平行している
ので、干渉計と結合されず影響は及ぼさない。しかし、
この干渉計ゲートは超伝導接地面９に水平な方向の磁場
の影響を受け、外部磁束は となる。

は超伝導ループ６に垂直な単位ベクトルであり、∫ｄＡ
₂は に垂直な超伝導ループの内部につき積分される。またこ
のような干渉計ゲートでは、共振モードを取除くための
干渉計インダクタンスよりも十分小さいインダクタンス
を持つ抵抗で干渉計ゲートをシャントする事が出来ない
という欠点があった。

以上の従来例を要約すると、第２図に示すような平面型
干渉計ゲートでは、シャント抵抗を備える事が出来た
が、接地面にトラップした磁束の影響、接地面に垂直な
方向に分布するバックグランド磁場の影響を受ける欠点
があった。一方第３図に示すような立体型の干渉計ゲー
トでは、トラップ磁束に対しては影響を受けないが、接
地面に水平なバックグランド磁場の影響を受け、同時に
シャント抵抗を設置出来ないという欠点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記のような接地面にトラップされた
磁束の影響、またはトラップ磁束以外で干渉計に結合し
ている外部磁界の影響を受けない超伝導量子干渉計ゲー
トを提供することにある。

（発明の構成） 本発明の超伝導量子干渉計ゲートは、Ｕ字型の平面形状
をもつ第１及び第２の超伝導薄膜を絶縁物を介して互い
に重ね２個以上のジョセフソン接合により電気的に接続
して、平面形状がＵ字型でこのＵ字型のそれぞれの辺を
含み前記Ｕ字型平面に垂直な面内に外部の磁場に対する
結合面を持つ超伝導ループを構成し、前記Ｕ字型平面に
平行で分布が一様な磁場が加わったとき、前記磁場が前
記Ｕ字型超伝導ループの互いに向い合う二辺のそれぞれ
に与える影響が互いに打ち消し合うようにしたことを特
徴とする。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図である。

第１図中、１は下部電極、２は上部電極、３は絶縁膜、
５はジョセフソン接合、６は超伝導ループ、７は互いに
垂直な単位ベクトル ８はダンピング抵抗である。なお本図では図面が複雑に
なるので制御線は画かれていないが第２図同様、上部電
極上に絶縁物を介して制御線を設ける事が出来る。本実
施例の特徴は、二重のＵ字型をした超伝導膜によって超
伝導ループ６が型成されている事である。

このような構造を持つ干渉計ゲートの外部磁場に対する
効果を以下に説明する。この実施例において、超伝導接
地面のいずれの個所に磁束がトラップされていたとして
もこの磁束の方向は干渉計ループに平行なので、超伝導
ループ６にはこの磁束は接合されず、超伝導ループが受
ける外部磁場は、 である。

は第１図に示してある と反対の方向を持つ単位ベクトル、積分∫ｄＡ₂，∫ｄ
Ａ₃，∫ｄＡ₄はそれぞれ に垂直な超伝導ループの内部平面に亘っている。(4)式
から得られる値は(2)式の第１項とほぼ同じ程度の磁束
であり、磁束量子Φ_ｏよりも十分小さい。超伝導ループ
よりも十分大きな広がりを持つ超伝導接地面９が存在す
る場合、干渉計ループ近辺での外部磁場の局所的な分布
はほぼ一様で 面内に存在する。また、∫ｄＡ₂＝∫ｄＡ₄≫∫ｄＡ₃と
すると、(3)式は となる。しかし、 は反対向きなので、局所的に磁場Ｂの分布が前記のよう
にほぼ一様であれば、Φ_ex０となる。従って、本実施
例の超伝導干渉計ゲートはトラップ磁束のみならず、ト
ラップによらない接地面に垂直，水平両方向のバックグ
ランド磁場が存在しても該量子干渉計ゲートの動作には
何ら影響を受けないという特性を持っている。更に加え
て、本発明のような二重のＵ字型ループを使用する事に
よって、超伝導ループのインダクタンスよりも十分小さ
いインダクタンスを持ったダンピング抵抗により第１図
のように干渉計をシャントする事が出来る。

なお、本実施例では量子干渉計ゲートの下に接地面を設
けたが、この接地面はなくてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、バックグランド
の磁場や接地面にトラップされた磁束などの影響を受け
ず、同時に十分小さなインダクタンスを持ったダンピン
グ抵抗によって干渉計をシャントする事も出来る超伝導
量子干渉計ゲートが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は従来の超
伝導量子干渉計ゲートの第１の例の斜視図、第３図は従
来の超伝導量子干渉計ゲートの第２の例の斜視図であ
る。 １……下部電極、２……上部電極、３……絶縁膜、４…
…制御線、５……ジョセフソン接合、６……超伝導ルー
プ、７……単位ベクトル、８……ダンピング抵抗、９…
…超伝導接地面、１０……絶縁膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｕ字型の平面形状をもつ第１及び第２の超
   伝導薄膜を絶縁物を介して互いに重ね２個以上のジョセ
   フソン接合により電気的に接続して、平面形状がＵ字型
   でこのＵ字型のそれぞれの辺を含み前記Ｕ字型平面に垂
   直な面内に外部の磁場に対する結合面を持つ超伝導ルー
   プを構成し、 前記Ｕ字型平面に平行で分布が一様な磁場が加わったと
   き、前記磁場が前記Ｕ字型超伝導ループの互いに向い合
   う二辺のそれぞれに与える影響が互いに打ち消し合うよ
   うにしたことを特徴とする超伝導量子干渉計ゲート。