Research on ultra-low power sub-terahertz superconducting quantum digital systems based on pulse-driven circuits

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2022年度は、当初計画に沿って、大きく3つの課題について研究を進めてきた。１つはパルス駆動の高速マイクロプロセッサの開発である。具体的には、単一磁束量子回路を用いて、8ビット並列のマイクロプロセッサの実証を進めた。世界で本研究グループのみが、ビット並列で50GHz以上の動作速度での大規模集積回路の実績を持つが、マイクロプロセッサは各機能ブロック間で処理速度が異なり、各ブロック間のデータのやりとりが極めて複雑になる。加えて、データパスは50GHz以上で動かす必要があることから、設計において最も難易度が高い。精緻な信号伝搬の遅延時間の制御法を確立ことで、64GHzまでの命令実行を確認した。なお、設計技術に関しては、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をサポートするため、様々な論理ゲートを含む回路を対象とする静的タイミング解析ツールを開発するとともに、レイアウトエディタによる配線環境の整備を行った。2つ目の課題は、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に関するものである。磁性接合を世界で唯一安定に形成する技術を有しており、この技術をベースにパルス駆動マトリクスメモリの解析や開発を進めた。論理値0と1の状態間に存在するエネルギー障壁をパルスの持つエネルギー10zJオーダーで制御することに成功し、ワード線とビット線で選ばれたところの記憶セルの書込みや読出しに成功している。なお、このメモリとマイクロプロセッサを将来は3次元実装する必要がある。これまで、マルチチップ構造においてパルスのチップ間伝送特性を測定し、120GHzでの伝送を確認している。3つ目の課題は、量子限界に近い環境での半磁束量子回路の動作の実証である。この目的のために、独自の半磁束量子回路用プロセスを開発し、トグルフリップフロップの動作を確認した。