高速単一磁束量子

電子工学において、高速単一磁束量子（RSFQ）は、超伝導デバイス、すなわちジョセフソン接合を使用してデジタル信号を処理するデジタル電子デバイスです。 RSFQ ロジックでは、情報は磁束量子として保存され、単一磁束量子（SFQ）電圧パルスの形で転送されます。 RSFQ は、超伝導または SFQ ロジックの 1 つのファミリーです。他には、逆量子ロジック（RQL）、バイアス抵抗を使用しないエネルギー効率の高い RSFQ バージョンである ERSFQ などがあります。ジョセフソン接合は、トランジスタが半導体電子工学の能動素子であるのと同じように、RSFQ 電子工学の能動素子です。 RSFQ は、量子コンピューティング技術ではなく、古典的なデジタル技術 です。

RSFQ は、従来のコンピュータで使用されるCMOS トランジスタ技術とは大きく異なります。

• 超伝導装置には極低温が必要です。
• ジョセフソン接合によって生成されるピコ秒持続時間の SFQ 電圧パルスは、半導体電子機器のトランジスタによって生成される電圧レベルの代わりに、デジタル情報をエンコード、処理、転送するために使用されます。
• SFQ 電圧パルスは、パルスのスペクトル成分が超伝導体のエネルギーギャップの周波数を超えていない場合、分散が非常に小さく、通常は無視できる超伝導伝送線路上を伝わります。
• 1 ps の SFQ パルスの場合、100 GHz 程度の周波数 (10 ピコ秒ごとに 1 つのパルス) で回路をクロックすることが可能です。

SFQパルスは、ジョセフソン接合を含む超伝導ループを通る磁束が、接合のスイッチングの結果として1つの磁束量子Φ ₀だけ変化したときに生成されます。SFQパルスには量子化領域 ʃ V ( t ) dt = Φ ₀ ≈があります。2.07 × 10 ⁻¹⁵  Wb = 2.07 mV⋅ps = 2.07 mA⋅pHは、超伝導体の基本特性 である磁束量子化によるものです。ジョセフソン接合のパラメータに応じて、パルスは 1 psと狭く振幅が約 2 mV になることもあれば、より広く (たとえば 5～10 ps) なり振幅もそれに応じて低くなることもあります。パルス振幅の標準的な値はおよそ 2 I _c R _nです。ここで、 I _c R _{n は}接合臨界電流I _cと接合減衰抵抗R _nの積です。Nb ベースの接合技術の場合、I _c R _{n は}1 mV のオーダーです。

• CMOS回路、マイクロ波、赤外線技術との相互運用性
• 非常に高速な動作周波数：数十ギガヘルツから数百ギガヘルツまで
• 低消費電力：冷却を考慮せずにCMOS半導体回路の約10万分の1以下
• 既存のチップ製造技術をRSFQ回路の製造に応用できる
• 製造上のばらつきに対する優れた許容度
• RSFQ 回路は本質的に自己クロッキングであるため、非同期設計がより実用的になります。

• 極低温冷却が必要です。従来、これは液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温液体を使用して実現されてきました。最近では、パルス チューブ 冷蔵庫などの閉サイクル クライオクーラーが、 コストが高く定期的な補充が必要な極低温液体を必要としないため、かなり人気が高まっています。極低温冷却は、作業環境の熱雑音を減らすという利点もあります。
• 高温超伝導体を使用することで冷却要件を緩和することができます。しかし、現在までに高温超_{伝導体を使用して実現されたのは、非常に低複雑性の RFSQ 回路のみです。SFQ ベースのデジタル技術は、温度}Tの上昇とともにパラメータE _J / k _B Tが減少することでビットエラー率 (熱誘導接合スイッチング) が指数関数的に増加するため、約 20 K – 25 K を超える温度では実用的でなくなると考えられています。ここで、E _J = I _c Φ ₀ /2π はジョセフソンエネルギーです。
• 静的電力消費は、通常、論理演算を実行するために必要な動的電力の 10 ～ 100 倍にもなり、これが欠点の 1 つでした。しかし、静的電力消費の原因であるバイアス抵抗の代わりに超伝導インダクタとジョセフソン接合を使用することで、RSFQ の ERSFQ バージョンでは静的電力消費が排除されました。

• 光およびその他の高速ネットワークスイッチングデバイス
• Xバンド信号までのデジタル信号処理
• 超高速ルーター
• ソフトウェア無線(SDR)
• 高速アナログ-デジタルコンバータ
• 高性能極低温コンピュータ^{[1] [2]}
• 超伝導量子ビットおよび量子回路の制御回路

• 超伝導ロジックには、RSFQ よりもエネルギー効率に優れた新しいロジック ファミリが含まれます。
• 関連するデジタルロジック技術である量子磁束パラメトロン。

• 超伝導技術評価、 NSAによるコンピューティング アプリケーション向け RSFQ の研究(2005 年)。
• Krylov, Gleb; Jabbari, Tahereh; Friedman, Eby G. (2024).シングルフラックス量子集積回路設計（第2版）。Cham: Springer。doi : 10.1007 / 978-3-031-47475-0。ISBN 978-3-031-47474-3. OCLC  1430662174.

• ニューヨーク州立大学ストーニーブルック校の基礎の紹介と詳細情報へのリンク。
• KK Likharev および VK Semenov、「RSFQ ロジック/メモリ ファミリ: サブテラヘルツ クロック周波数デジタル システム向けの新しいジョセフソン接合技術」IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991)、3. doi:10.1109/77.80745
• AH Worsham、JX Przybysz、J. Kang、および DL Miller、「単一磁束量子クロスバー スイッチおよびデマルチプレクサ」、IEEE Trans. on Appl. Supercond.、vol. 5、pp. 2996–2999、1995 年 6 月。
• RSFQ ベースのセルフルーティング非ブロッキング デジタル スイッチの実現可能性調査 (1996)
• RSFQ ロジック/メモリ ファミリに基づく超高速超低電力超伝導バッチャ バンヤン スイッチング ファブリックの設計上の問題 (1997)
• 大規模 RSFQ 回路のクロック分配方式 (1995)
• ジョセフソン接合デジタル回路 - 課題と機会 (Feldman 1998) 2015 年 9 月 23 日にWayback Machineにアーカイブされました
• 超伝導 IC: 100 GHz 第 2 世代 // IEEE Spectrum、2000