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

基于脉冲驱动电路的超低功耗亚太赫兹超导量子数字系统研究

• 批准号: 18H05211
• 负责人: 藤巻 朗
• 金额: $ 393.87万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-23 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18H05211/
• 关键词: 単一磁束量子回路; 半磁束量子; 磁性ジョセフソン接合; 単一磁束量子; パルス論理; π接合; 半磁束量子回路; パルス駆動回路; 磁束量子回路; 超伝導回路

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。

In 2022, the original plan was to carry out research along the lines of, 3. 1. High speed and high speed. The specific application of a single magnetic beam quantum loop is described in detail below. In this study, the performance of large-scale integrated circuits with operating speeds of more than 50GHz is maintained, and the processing speed varies among various functional modules. The most difficult part of the design is to increase the speed and speed above 50GHz. The delay time control method for fine signal transmission is established, and the command execution at 64GHz is confirmed. The design technology is related to the control of the incoming signal and the maintenance of the distribution environment. 2. The problem of magnetic coupling is related to the realization of semi-magnetic beam quantum circuits. Magnetic bonding is the only stable technology in the world. Logic value 0 to 1 between the state of existence of the barrier to the existence of the barrier to the maintenance of the 10zJ to control the success of the line to select the memory of the book to the success of the line. 3-D installation is necessary. The transmission characteristics of the transmission system at 120GHz were determined and confirmed. 3. The problem of quantum confinement is that the operation of semi-magnetic beam quantum circuit in the near environment is proved. The purpose of this study is to develop and confirm the operation of a semi-magnetic beam quantum circuit.

项目成果

Demonstration of π-junction-based SQUIDs with half-flux-quantum modulation periods for energy-efficient circuits

演示基于 π 结的 SQUID，具有用于节能电路的半通量量子调制周期

• 发表时间: 2020
• 作者: Feng Li;Yuto Takeshita;Daiki Hasegawa;Masamitsu Tanaka;Taro Yamashita;Akira Fujimaki
• 通讯作者: Akira Fujimaki

接合付加による半磁束量子回路の低消費エネルギー化

通过添加结点降低半通量量子电路的能耗

• 发表时间: 2020
• 作者: 藤巻朗;Li Feng;竹下雄登;長谷川大輝;佐野京佑;田中雅光;山下太郎
• 通讯作者: 山下太郎

Phase-shift flux qubit with ferromagnetic π junction

具有铁磁 π 结的相移通量量子位

• 发表时间: 2019
• 作者: Taro Yamashita;Kun Zuo;Yoshiro Urade;Wei Qiu;Hirotaka Terai;Akira Fujimaki and Yasunobu Nakamura
• 通讯作者: Akira Fujimaki and Yasunobu Nakamura

Planarized Nb 4-Layer Fabrication Process for Superconducting Integrated Circuits and Its Fabricated Device Evaluation

超导集成电路平面化铌四层制造工艺及其制造器件评估

• DOI: 10.1587/transele.2020sup0001
• 发表时间: 2021
• 期刊: IEICE Transactions on Electronics
• 影响因子: 0.5
• 作者: NAGASAWA Shuichi;TANAKA Masamitsu;TAKEUCHI Naoki;YAMANASHI Yuki;MIYAJIMA Shigeyuki;CHINA Fumihiro;YAMAE Taiki;YAMAZAKI Koki;SOMEI Yuta;SEGA Naonori;MIZUGAKI Yoshinao;MYOREN Hiroaki;TERAI Hirotaka;HIDAKA Mutsuo;YOSHIKAWA Nobuyuki;FUJIMAKI Akira
• 通讯作者: FUJIMAKI Akira

Study on magnetic properties of π-junction-based artificial spin systems

基于π结的人工自旋系统的磁特性研究

• 发表时间: 2021
• 作者: Masayuki Higashi;Yuto Takeshita;Hinata Fujisawa;Kento Kato;Feng Li;Masamitsu Tanaka;Taro Yamashita;Akira Fujimaki
• 通讯作者: Akira Fujimaki