1．超伝導ディジタルデバイスとは

　超伝導ディジタルデバイスの中で一番広く用いられているのは，単一磁束量子（SFQ）回路である⁽¹⁾．超伝導リングを貫く磁束は量子化され飛び飛びの値をとる．この量子化された磁束の最小単位が単一磁束量子（SFQ : Single Flux Quantum）であり，Wbの値を持つ．図1の回路図にあるインダクタンスの閉じた超伝導体リング中の磁束はで量子化される．が超伝導リング中にある場合には，の循環電流がリングに流れる．超伝導リングにはジョセフソン接合（JJ）が含まれており，JJを流れる電流がその臨界電流値を超えるとJJは一瞬だけ電圧状態にスイッチし，がリング中に侵入することによりが流れる．このときJJ両端にパルス状の電圧（SFQパルス）が発生する．図1の左端からSFQが到達すると，バイアス電流と加算され，その和がを超えるとJJはスイッチする．との積がの場合は，がを超えるため，リング右側のJJがスイッチしSFQは右側のリングに伝達される．の場合は，このリング中にSFQは保持される．これらの超伝導リングを様々な形に結合することによってSFQを媒体としたディジタル演算を行うのがSFQ回路である．

　SFQパルスの電圧―時間平面上の面積はとなり，典型的なSFQパルスは高さ1mV，幅2ps程度であるため，極めて高速かつ低消費電力の演算が可能となる．また，半導体回路では配線の時定数で規定される配線遅延が高速化の妨げになっているが，SFQ回路ではゲートと配線のインピーダンスマッチングを取ることが容易であるため，基板上を光と同じ速さで信号伝達できるPTL（Passive Transmission Line）と呼ばれる超伝導配線を使った高速信号伝達が実現できる⁽²⁾．これらのことからSFQ回路は半導体回路と比べて極めて高速かつ低消費電力演算が可能である．図2は横軸を動作速度，縦軸をDFF（Dフリップフロップ）回路の消費電力にとり，半導体デバイスと超伝導デバイスを比較した図である．SFQ回路は同じクロックで比較すると半導体回路より5桁以上低消費電力である．冷凍機の消費電力（約3桁）を考慮しても十分にメリットがある．SFQ回路の消費電力は動作周波数が高くなっても余り変わっていないが，これはSFQ回路の電力がほとんどバイアス抵抗で消費される静的消費電力であり，SFQパルスによる動的消費電力が極めて小さいことに起因する．近年SFQ回路の消費電力を更に下げるために静的消費電力を削減した省電力SFQ回路が幾つか開発されている^(3),(4)．

2．超伝導ディジタル回路の展開

3．超伝導ディジタルデバイスの応用

　超伝導ディジタルデバイスの一番の応用先は半導体デバイスの限界を超える超高速かつ低消費電力コンピュータである．コンピュータを目指したSFQマイクロプロセッサの研究は2000年代初頭から始められ，100GHzを超えるプロセッサ動作やプログラムを内蔵したプロセッサの50GHz動作に成功している⁽⁴⁾．2022年時点で動作が確認されている最大規模のSFQプロセッサは，JJを33,467個用いた8ビット汎用マイクロプロセッサであり，57.2GHzでの動作が確認されている．消費電力は11.2mWである⁽⁷⁾．

　最近量子コンピュータの周辺回路として超伝導ディジタル回路が注目されている．量子コンピュータを実現するためのデバイスとして最先端にある超伝導量子ビットの動作には数十mKの極低温が必須であり，量子ビットに書き込み，読み出し，制御を行うために多数のマイクロ波ケーブルが必要となる．このマイクロ波ケーブルを介した熱流入が大きな問題となっている．この問題を解決する手段として極低温で高速かつ極低消費電力で動作し，量子ビットを操作するマイクロ波の発生が可能な超伝導ディジタル回路が有望である⁽⁸⁾．

　ニューラルネットワーク，ストカスティックコンピューティング，リザバー計算などの新しい情報処理方式を実現するためのデバイスとしても超伝導ディジタル回路は期待されている⁽⁹⁾．また，量子通信などに用いる超伝導検出器アレーの多重読出し回路としても研究が進められている．

文　　　　　献

（2023年4月13日受付）