Creation of extremely energy-efficient integrated circuit technology beyond the thermodynamic limit based on reversible quantum flux circuits

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本研究は、双方向演算が可能な論理回路である可逆断熱的量子磁束パラメトロン(AQFP)を用いて熱力学的極限を超える究極の低消費エネルギー集積回路を実現する。可逆AQFPの学理明らかにすると共に、可逆AQFPを用いた超省エネ集積回路を実現するための基盤技術を確立する。可逆AQFPの学理の解明においては、可逆AQFPフリップ・フリップを設計し、熱ノイズを含む回路シミュレーションによりデータの消去と消費エネルギーの関係を調べた。これにより、フリップ・フロップの出力を消去することによりエネルギーが消費されることを明らかにした。また、実験により可逆AQFPフリップ・フロップの正常動作を確認した。可逆AQFPの設計基盤技術の確立においては、論理記述から可逆AQFPゲートのネットリストを得るツールにおいて、ゴミ情報を再利用するアルゴリズムの効率化を図った。新規可逆量子磁束回路の創生においては、複数のAQFPを相互に磁気結合させた複雑な可逆論理ゲートを回路シミュレーションにより評価し、それらの可逆性を明らかにした。プロセッサアーキテクチャの研究においては、可逆データパスの動作実証を行った。位相シフト可逆AQFPゲートの研究においては、PdNi強磁性体薄膜の磁化を外部磁場により制御する機構を組み込んだゲートを設計した。また、強磁性体を障壁層に用いることにより、π位相シフトジョセフソン接合を得ることができる。このようなπ位相シフトジョセフソン接合をAQFP回路に組み込む効果についてシミュレーションで検討を行った。３次元超伝導回路の高密度集積化においては、2層のAQFP回路間に2層のストリップ構造PTL配線層を配置したデバイス構造を有する3次元超伝導回路作製プロセスを開発した。また、作製チップ数増加のために基板ウエハサイズを3インチから4インチに拡張するプロセス開発を行った。