СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

1986 Дж Беднорц и К Мюллер высокотемпературная сверхпроводимость с Тс

превышающей температуру кипения жидкого азота (ndash196 С = 77 К) Сейчас достигнуты Тс 138 К при атмосферном давлении и 164 К в условиях повышенного

гидростатического давления (соединение Hg08Tl02Ba2Ca2Cu3O833)

T gt Tc T lt Tc

Hc1

Hc1 Hc Hc2

B

H

I рода

II рода

Кривые намагничивания сверхпроводников I и II рода Зависимость критического магнитного

поля Hc от температуры

2

24e

Ls

m c

n e

Глубина проникновения 30 ndash 300 нм

Эффект Мейснера выталкивание магнитного поля

Критическая плотность тока ~1000 Amm2

2c cca

I H2

IH

ca

2а

Электронная теплоемкость Энергетическая щель

нормальный металл

Критический токE

EF

Занятые состояния

Свободные состояния

176kBTс ~ 410ndash4 эВ

Природа сверхпроводящего состояния

Пару образуют электроны с противоположными спинами и квазиимпульсами Пары ведут себя как бозоны В отличие от нормальных электронов они могут находиться в одном наинизшем состоянии (Бозе-Эйнштейновский конденсат)

При T = 0 все электроны спарены (ns = n) при T gt 0 возникают нормальные электроны ns + nn = n

Размер пары ~ 1 мкм среднее расстояние между частицами ~ 1 нм Различные пары перекрываются и образуют фактически одно целое

Л Купер (1956)

( )( ) ( ) isn e rr r

21ˆ

4 e

H p Vm

r 2

ˆ ˆe

p pc

A r

2

1 2ˆ

4Ae

eH p V

m c

A r 2

2

4 e

Vm

r

2

1 2

4 e

ei V

m c

A r

Все электроны объединенные в куперовские пары образуют сверхпроводящий конденсат с общей волновой функцией

Гамильтониан

В равновесии плотность СП электронов постоянна (r) ~ exp[i(r)]

Это ndash состояние конденсата в отсутствие магнитного поля (A(r) = 0) H(r) = E(r)

При A(r) ne 0 решение HAA(r) = EA(r) в виде A(r) = (r)exp[iA(r)] ~ exp[i(r)+iA(r)]

2 2exp expA A A

e ei i i i i

c c

A A

20A

e

c A

Если выбрать A(r) так что

2A

edl

c A

то HAA(r) = [H(r)]exp[iA(r)] = [E(r)]exp[iA(r)] = EA(r) решение найдено

В присутствии магнитного поля волновая функция СП электронов приобретает дополнительную фазу A(r) Волновая функция однозначна при обходе по замкнутому контуру

22A

edl n

c A

n = 0 1 2 hellip

rotC C

dS dS A B

C

Квантование магнитного потока

0n квант магнитного потока 0 asymp 210ndash7 Гссм2 = 210ndash15 Вб0 2

hc

e

i ie i e

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

T gt Tc T lt Tc

Hc1

Hc1 Hc Hc2

B

H

I рода

II рода

Кривые намагничивания сверхпроводников I и II рода Зависимость критического магнитного

поля Hc от температуры

2

24e

Ls

m c

n e

Глубина проникновения 30 ndash 300 нм

Эффект Мейснера выталкивание магнитного поля

Критическая плотность тока ~1000 Amm2

2c cca

I H2

IH

ca

2а

Электронная теплоемкость Энергетическая щель

нормальный металл

Критический токE

EF

Занятые состояния

Свободные состояния

176kBTс ~ 410ndash4 эВ

Природа сверхпроводящего состояния

Пару образуют электроны с противоположными спинами и квазиимпульсами Пары ведут себя как бозоны В отличие от нормальных электронов они могут находиться в одном наинизшем состоянии (Бозе-Эйнштейновский конденсат)

При T = 0 все электроны спарены (ns = n) при T gt 0 возникают нормальные электроны ns + nn = n

Размер пары ~ 1 мкм среднее расстояние между частицами ~ 1 нм Различные пары перекрываются и образуют фактически одно целое

Л Купер (1956)

( )( ) ( ) isn e rr r

21ˆ

4 e

H p Vm

r 2

ˆ ˆe

p pc

A r

2

1 2ˆ

4Ae

eH p V

m c

A r 2

2

4 e

Vm

r

2

1 2

4 e

ei V

m c

A r

Все электроны объединенные в куперовские пары образуют сверхпроводящий конденсат с общей волновой функцией

Гамильтониан

В равновесии плотность СП электронов постоянна (r) ~ exp[i(r)]

Это ndash состояние конденсата в отсутствие магнитного поля (A(r) = 0) H(r) = E(r)

При A(r) ne 0 решение HAA(r) = EA(r) в виде A(r) = (r)exp[iA(r)] ~ exp[i(r)+iA(r)]

2 2exp expA A A

e ei i i i i

c c

A A

20A

e

c A

Если выбрать A(r) так что

2A

edl

c A

то HAA(r) = [H(r)]exp[iA(r)] = [E(r)]exp[iA(r)] = EA(r) решение найдено

В присутствии магнитного поля волновая функция СП электронов приобретает дополнительную фазу A(r) Волновая функция однозначна при обходе по замкнутому контуру

22A

edl n

c A

n = 0 1 2 hellip

rotC C

dS dS A B

C

Квантование магнитного потока

0n квант магнитного потока 0 asymp 210ndash7 Гссм2 = 210ndash15 Вб0 2

hc

e

i ie i e

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

Критическая плотность тока ~1000 Amm2

2c cca

I H2

IH

ca

2а

Электронная теплоемкость Энергетическая щель

нормальный металл

Критический токE

EF

Занятые состояния

Свободные состояния

176kBTс ~ 410ndash4 эВ

Природа сверхпроводящего состояния

Пару образуют электроны с противоположными спинами и квазиимпульсами Пары ведут себя как бозоны В отличие от нормальных электронов они могут находиться в одном наинизшем состоянии (Бозе-Эйнштейновский конденсат)

При T = 0 все электроны спарены (ns = n) при T gt 0 возникают нормальные электроны ns + nn = n

Размер пары ~ 1 мкм среднее расстояние между частицами ~ 1 нм Различные пары перекрываются и образуют фактически одно целое

Л Купер (1956)

( )( ) ( ) isn e rr r

21ˆ

4 e

H p Vm

r 2

ˆ ˆe

p pc

A r

2

1 2ˆ

4Ae

eH p V

m c

A r 2

2

4 e

Vm

r

2

1 2

4 e

ei V

m c

A r

Все электроны объединенные в куперовские пары образуют сверхпроводящий конденсат с общей волновой функцией

Гамильтониан

В равновесии плотность СП электронов постоянна (r) ~ exp[i(r)]

Это ndash состояние конденсата в отсутствие магнитного поля (A(r) = 0) H(r) = E(r)

При A(r) ne 0 решение HAA(r) = EA(r) в виде A(r) = (r)exp[iA(r)] ~ exp[i(r)+iA(r)]

2 2exp expA A A

e ei i i i i

c c

A A

20A

e

c A

Если выбрать A(r) так что

2A

edl

c A

то HAA(r) = [H(r)]exp[iA(r)] = [E(r)]exp[iA(r)] = EA(r) решение найдено

В присутствии магнитного поля волновая функция СП электронов приобретает дополнительную фазу A(r) Волновая функция однозначна при обходе по замкнутому контуру

22A

edl n

c A

n = 0 1 2 hellip

rotC C

dS dS A B

C

Квантование магнитного потока

0n квант магнитного потока 0 asymp 210ndash7 Гссм2 = 210ndash15 Вб0 2

hc

e

i ie i e

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

Природа сверхпроводящего состояния

Пару образуют электроны с противоположными спинами и квазиимпульсами Пары ведут себя как бозоны В отличие от нормальных электронов они могут находиться в одном наинизшем состоянии (Бозе-Эйнштейновский конденсат)

При T = 0 все электроны спарены (ns = n) при T gt 0 возникают нормальные электроны ns + nn = n

Размер пары ~ 1 мкм среднее расстояние между частицами ~ 1 нм Различные пары перекрываются и образуют фактически одно целое

Л Купер (1956)

( )( ) ( ) isn e rr r

21ˆ

4 e

H p Vm

r 2

ˆ ˆe

p pc

A r

2

1 2ˆ

4Ae

eH p V

m c

A r 2

2

4 e

Vm

r

2

1 2

4 e

ei V

m c

A r

Все электроны объединенные в куперовские пары образуют сверхпроводящий конденсат с общей волновой функцией

Гамильтониан

В равновесии плотность СП электронов постоянна (r) ~ exp[i(r)]

Это ndash состояние конденсата в отсутствие магнитного поля (A(r) = 0) H(r) = E(r)

При A(r) ne 0 решение HAA(r) = EA(r) в виде A(r) = (r)exp[iA(r)] ~ exp[i(r)+iA(r)]

2 2exp expA A A

e ei i i i i

c c

A A

20A

e

c A

Если выбрать A(r) так что

2A

edl

c A

то HAA(r) = [H(r)]exp[iA(r)] = [E(r)]exp[iA(r)] = EA(r) решение найдено

В присутствии магнитного поля волновая функция СП электронов приобретает дополнительную фазу A(r) Волновая функция однозначна при обходе по замкнутому контуру

22A

edl n

c A

n = 0 1 2 hellip

rotC C

dS dS A B

C

Квантование магнитного потока

0n квант магнитного потока 0 asymp 210ndash7 Гссм2 = 210ndash15 Вб0 2

hc

e

i ie i e

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

( )( ) ( ) isn e rr r

21ˆ

4 e

H p Vm

r 2

ˆ ˆe

p pc

A r

2

1 2ˆ

4Ae

eH p V

m c

A r 2

2

4 e

Vm

r

2

1 2

4 e

ei V

m c

A r

Все электроны объединенные в куперовские пары образуют сверхпроводящий конденсат с общей волновой функцией

Гамильтониан

В равновесии плотность СП электронов постоянна (r) ~ exp[i(r)]

Это ndash состояние конденсата в отсутствие магнитного поля (A(r) = 0) H(r) = E(r)

При A(r) ne 0 решение HAA(r) = EA(r) в виде A(r) = (r)exp[iA(r)] ~ exp[i(r)+iA(r)]

2 2exp expA A A

e ei i i i i

c c

A A

20A

e

c A

Если выбрать A(r) так что

2A

edl

c A

то HAA(r) = [H(r)]exp[iA(r)] = [E(r)]exp[iA(r)] = EA(r) решение найдено

В присутствии магнитного поля волновая функция СП электронов приобретает дополнительную фазу A(r) Волновая функция однозначна при обходе по замкнутому контуру

22A

edl n

c A

n = 0 1 2 hellip

rotC C

dS dS A B

C

Квантование магнитного потока

0n квант магнитного потока 0 asymp 210ndash7 Гссм2 = 210ndash15 Вб0 2

hc

e

i ie i e

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

Нелокальное квантовое взаимодействие

Частица испытывает действие электромагнитного поля даже в тех точках где поле в классическом смысле отсутствует (B = 0 A 0)Фаза волновой функции зависит от A а не от B

Эффект Ааронова ndash Бома (1949 1959)

Когерентный пучок электронов направляется по двум путям и наблюдается интерференция

Когда в соленоиде изменяется магнитное поле интерференционная картина сдвигается Между путями возникает дополнительная разность фаз

2q

e edl

c c

A

02qch

e (потому что заряд электрона вдвое меньше

заряда куперовской пары)

Эффект квантовый исчезает при h 0Электрический вариант фаза зависит от скалярного потенциала даже если E = 0

Эффект Джозефсона

Стационарный эффект через барьер течет бездиссипативный ток зависящий от разности фаз волновой функции конденсата по обе стороны

Ic ndash критический ток джозефсоновского контакта 10 ndash 104 Асм2 (ltlt объемного Ic)В стационарном эффекте напряжение на контакте равно нулюПо достижении I = Ic сверхпроводящее состояние разрушается

~ 1 нмТуннельный контакт (SIS) МостикСэндвич (SNS)

2

dU

e dt

Сверхпроводящий ток через контакт осциллирует по закону I(t) = IcsinJ t J = (2eħ)U

4836 МГцмкВ

На контакте возникает напряжение при этом фаза растет линейно

Электронные пары пересекающие барьер несут энергию 2eU Постоянное напряжение вызывает переменный ток

~ 10 нм

Нестационарный эффект Джозефсона

джозефсоновская фаза

ħ излучаетсяИдеальное преобразование напряжения в частоту

Самые точные измерения eħ Квантовый стандарт вольта точность 10ndash10

Вольт-амперные характеристики джозефсоновского перехода

Контакт с малой емкостью (SNS или мостик) Rn ndash нормальное сопротивление контакта

Контакт с большой емкостью (туннельный) развитый гистерезис

Графики описывают постоянную составляющую напряженияПрисутствуют еще высокочастотные модуляции (джозефсоновская генерация) обусловленные нестационарным эффектом

sinc fn

U dUI I C I

R dt

Нестационарные процессы харак-теризуются джозефсоновской индуктивностью

dIU L

dt 0cos

2 2 Jc c

L LeI I

coscd

LIdt

2

dU

e dt

2 4 B

fn

k TI f

R

c c nV I R

IH

02

302

0

20

ndashIc

Ic

e = HS

I t

t

Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским переходом

Сверхпроводящий квантовый интерферометр

Ток в кольце периодически зависит от внешнего магнитного потока

0

2 22 2

Ae

A B eB

e edl

c ch

A

sincI I

A

B

Связь джозефсоновской фазы с магнитным потоком Макроскопическая квантовая интерференция

I = Ic когда = те e = 02

A

A BB

d

В джозефсоновском контуре может изменяться скачком на 0 Запись и хранение магнитного потока n0

e

dU

dt

2

d

e dt

1

0

22e

Изложенная картина упрощена

Полный поток суперпозиция внешнего е и индуцированного e LI

0 0

2 2e LI

0

2 ce

c

LI I

I

sine l JL L lУравнение интерферометра

На самом деле набег фазы при обходе контура связан с магнитным потоком внутри кольца поэтому для возникновения экранирующего тока необходимо частичное проникновение магнитного поля в контур

При изменении потока на переходе возникает напряжение

2 22A B

e edl

c ch A

Это в точности соответствует приросту фазы при обходе СП контура

При l lt 1 поток не квантуетсяМалые Ic и L не дают развиться достаточному экранирующему токуПри l gtgt 1 переключениевозможные значения потока n0

Полное экранирование внешнего поля ndash только в полностью сверхпроводящем кольце

sin el

Ib

U

В отсутствие магнитного поля критический ток Ib = Ib0 = 2Ijc

При появлении магнитного поля в контуре наводится экранирующий ток Is

Is

Переключение контура в нормальное состояние происходит при

Ib2

Ib2

Ib2 + Is = Ijc Ib = Ibs = 2(Ijc ndash Is )

Ib0

Ibs

e

~ 10ndash6 0 Гцndash12 310ndash15 ТлГцndash12

по энергии Е ~ hГцndash1

В живых тканях до 10ndash9 Тл

Наименьший ток переключения ndash когда e = 02+n0 наибольший ndash когда e = n0

При изменении магнитного потока ВАХ модулируется между двумя крайними положениями Периодическая зависимость напряжения от потока

Двухконтактный интерферометр

U

Ib

IbrРабочий ток

Транспортный ток

В отличие от 1-контактного среднее напряжение U между двумя точками контура может отличаться от нуля

Сверхчувствительные датчики магнитного поля (SQUIDы)

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Вольт-амперные характеристики джозефсоновского перехода

Контакт с малой емкостью (SNS или мостик) Rn ndash нормальное сопротивление контакта

Контакт с большой емкостью (туннельный) развитый гистерезис

Графики описывают постоянную составляющую напряженияПрисутствуют еще высокочастотные модуляции (джозефсоновская генерация) обусловленные нестационарным эффектом

sinc fn

U dUI I C I

R dt

Нестационарные процессы харак-теризуются джозефсоновской индуктивностью

dIU L

dt 0cos

2 2 Jc c

L LeI I

coscd

LIdt

2

dU

e dt

2 4 B

fn

k TI f

R

c c nV I R

IH

02

302

0

20

ndashIc

Ic

e = HS

I t

t

Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским переходом

Сверхпроводящий квантовый интерферометр

Ток в кольце периодически зависит от внешнего магнитного потока

0

2 22 2

Ae

A B eB

e edl

c ch

A

sincI I

A

B

Связь джозефсоновской фазы с магнитным потоком Макроскопическая квантовая интерференция

I = Ic когда = те e = 02

A

A BB

d

В джозефсоновском контуре может изменяться скачком на 0 Запись и хранение магнитного потока n0

e

dU

dt

2

d

e dt

1

0

22e

Изложенная картина упрощена

Полный поток суперпозиция внешнего е и индуцированного e LI

0 0

2 2e LI

0

2 ce

c

LI I

I

sine l JL L lУравнение интерферометра

На самом деле набег фазы при обходе контура связан с магнитным потоком внутри кольца поэтому для возникновения экранирующего тока необходимо частичное проникновение магнитного поля в контур

При изменении потока на переходе возникает напряжение

2 22A B

e edl

c ch A

Это в точности соответствует приросту фазы при обходе СП контура

При l lt 1 поток не квантуетсяМалые Ic и L не дают развиться достаточному экранирующему токуПри l gtgt 1 переключениевозможные значения потока n0

Полное экранирование внешнего поля ndash только в полностью сверхпроводящем кольце

sin el

Ib

U

В отсутствие магнитного поля критический ток Ib = Ib0 = 2Ijc

При появлении магнитного поля в контуре наводится экранирующий ток Is

Is

Переключение контура в нормальное состояние происходит при

Ib2

Ib2

Ib2 + Is = Ijc Ib = Ibs = 2(Ijc ndash Is )

Ib0

Ibs

e

~ 10ndash6 0 Гцndash12 310ndash15 ТлГцndash12

по энергии Е ~ hГцndash1

В живых тканях до 10ndash9 Тл

Наименьший ток переключения ndash когда e = 02+n0 наибольший ndash когда e = n0

При изменении магнитного потока ВАХ модулируется между двумя крайними положениями Периодическая зависимость напряжения от потока

Двухконтактный интерферометр

U

Ib

IbrРабочий ток

Транспортный ток

В отличие от 1-контактного среднее напряжение U между двумя точками контура может отличаться от нуля

Сверхчувствительные датчики магнитного поля (SQUIDы)

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

IH

02

302

0

20

ndashIc

Ic

e = HS

I t

t

Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским переходом

Сверхпроводящий квантовый интерферометр

Ток в кольце периодически зависит от внешнего магнитного потока

0

2 22 2

Ae

A B eB

e edl

c ch

A

sincI I

A

B

Связь джозефсоновской фазы с магнитным потоком Макроскопическая квантовая интерференция

I = Ic когда = те e = 02

A

A BB

d

В джозефсоновском контуре может изменяться скачком на 0 Запись и хранение магнитного потока n0

e

dU

dt

2

d

e dt

1

0

22e

Изложенная картина упрощена

Полный поток суперпозиция внешнего е и индуцированного e LI

0 0

2 2e LI

0

2 ce

c

LI I

I

sine l JL L lУравнение интерферометра

На самом деле набег фазы при обходе контура связан с магнитным потоком внутри кольца поэтому для возникновения экранирующего тока необходимо частичное проникновение магнитного поля в контур

При изменении потока на переходе возникает напряжение

2 22A B

e edl

c ch A

Это в точности соответствует приросту фазы при обходе СП контура

При l lt 1 поток не квантуетсяМалые Ic и L не дают развиться достаточному экранирующему токуПри l gtgt 1 переключениевозможные значения потока n0

Полное экранирование внешнего поля ndash только в полностью сверхпроводящем кольце

sin el

Ib

U

В отсутствие магнитного поля критический ток Ib = Ib0 = 2Ijc

При появлении магнитного поля в контуре наводится экранирующий ток Is

Is

Переключение контура в нормальное состояние происходит при

Ib2

Ib2

Ib2 + Is = Ijc Ib = Ibs = 2(Ijc ndash Is )

Ib0

Ibs

e

~ 10ndash6 0 Гцndash12 310ndash15 ТлГцndash12

по энергии Е ~ hГцndash1

В живых тканях до 10ndash9 Тл

Наименьший ток переключения ndash когда e = 02+n0 наибольший ndash когда e = n0

При изменении магнитного потока ВАХ модулируется между двумя крайними положениями Периодическая зависимость напряжения от потока

Двухконтактный интерферометр

U

Ib

IbrРабочий ток

Транспортный ток

В отличие от 1-контактного среднее напряжение U между двумя точками контура может отличаться от нуля

Сверхчувствительные датчики магнитного поля (SQUIDы)

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

e

dU

dt

2

d

e dt

1

0

22e

Изложенная картина упрощена

Полный поток суперпозиция внешнего е и индуцированного e LI

0 0

2 2e LI

0

2 ce

c

LI I

I

sine l JL L lУравнение интерферометра

На самом деле набег фазы при обходе контура связан с магнитным потоком внутри кольца поэтому для возникновения экранирующего тока необходимо частичное проникновение магнитного поля в контур

При изменении потока на переходе возникает напряжение

2 22A B

e edl

c ch A

Это в точности соответствует приросту фазы при обходе СП контура

При l lt 1 поток не квантуетсяМалые Ic и L не дают развиться достаточному экранирующему токуПри l gtgt 1 переключениевозможные значения потока n0

Полное экранирование внешнего поля ndash только в полностью сверхпроводящем кольце

sin el

Ib

U

В отсутствие магнитного поля критический ток Ib = Ib0 = 2Ijc

При появлении магнитного поля в контуре наводится экранирующий ток Is

Is

Переключение контура в нормальное состояние происходит при

Ib2

Ib2

Ib2 + Is = Ijc Ib = Ibs = 2(Ijc ndash Is )

Ib0

Ibs

e

~ 10ndash6 0 Гцndash12 310ndash15 ТлГцndash12

по энергии Е ~ hГцndash1

В живых тканях до 10ndash9 Тл

Наименьший ток переключения ndash когда e = 02+n0 наибольший ndash когда e = n0

При изменении магнитного потока ВАХ модулируется между двумя крайними положениями Периодическая зависимость напряжения от потока

Двухконтактный интерферометр

U

Ib

IbrРабочий ток

Транспортный ток

В отличие от 1-контактного среднее напряжение U между двумя точками контура может отличаться от нуля

Сверхчувствительные датчики магнитного поля (SQUIDы)

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Ib

U

В отсутствие магнитного поля критический ток Ib = Ib0 = 2Ijc

При появлении магнитного поля в контуре наводится экранирующий ток Is

Is

Переключение контура в нормальное состояние происходит при

Ib2

Ib2

Ib2 + Is = Ijc Ib = Ibs = 2(Ijc ndash Is )

Ib0

Ibs

e

~ 10ndash6 0 Гцndash12 310ndash15 ТлГцndash12

по энергии Е ~ hГцndash1

В живых тканях до 10ndash9 Тл

Наименьший ток переключения ndash когда e = 02+n0 наибольший ndash когда e = n0

При изменении магнитного потока ВАХ модулируется между двумя крайними положениями Периодическая зависимость напряжения от потока

Двухконтактный интерферометр

U

Ib

IbrРабочий ток

Транспортный ток

В отличие от 1-контактного среднее напряжение U между двумя точками контура может отличаться от нуля

Сверхчувствительные датчики магнитного поля (SQUIDы)

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Криотрон

I

I

Поле в соленоиде H = 4NIc

Ток переключения Im = (c4N)Hс

I

I100 нм = 1 нс

Цифровые устройстваРабота в сверхпроводящем режиме + низкая температура предельно малая диссипация на частотах lt f = 2h (для Nb f = 700 ГГц)1 мкВт на элемент при частоте 100 ГГц

Главное ограничение быстродействия пп элементов ndash перезарядка емкостей соединений и невозможность их уплотнения из-за роста диссипации и помехСверхпроводящие соединения решают эти проблемыВозможна передача пикосекундных импульсов без дисперсии и ослабления на расстояния порядка сантиметровСкорость передачи определяется скоростью светаНизкая диссипация и отсутствие помех позволяет сблизить элементы и линии передачи дополнительное повышение скорости

Токовый механизм переключения джоулевы потери

= 10 мкс

1 ГГц процессор 50 Втсм2 эл плита 10 Втсм2

Катушка Hс = 2000Гс (Nb) проволока Hс = 100 Гс (Ta)

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Прямое переключение 0 1 ndash за счет небольшого управляющего тока Iin время ndash пикосекунды

Логика на уровнях напряжения (latching logic)

Логические 0 и 1 кодируются уровнями напряжения (как обычно)Используются гистерезисные свойства туннельных переходов

0 ndash переход в СП состоянии U = 01 ndash переход в резистивном состоянии U gt 0

Обратное переключение требует снятия тока смещения Ib и наносекундной задержкиЛогические сигналы не в состоянии переключать необходима внешняя синхронизация дополнительное время и мощностьПередача мощных сигналов увеличивает помехиСозданы элементы с быстродействием несколько ГГц но это не оправдывает затрат на охлаждение и поддержку СП состояния

Iin + Ib = Isj (U) + URIin + Ib ndash UR = Isj (U)

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

AuResistorJunction

Si

Mi ndash металл (Nb) Ii ndash изолятор

10-слойная планарная структура сверхпроводниковой интегральной схемы

Планарная технология более проста чем у полупроводниковых микросхемНе требуется высокотемпературная диффузия ионная импланатация hellipСтандартные кремниевые подложки осаждение нескольких слоев металла и диэлектрика

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Информация кодируется квантами магнитного потокаЭлементарная ячейка ndash сквид-интерферометр с двумя возможными состояниями

Переключение внешний магнитный поток (например ток Ie подводится к участку петли и создает поток Φe = MIe) M ndash индуктивность участка

dU t

dt

0U t dt

Физически поток проникает через переход и создает импульс напряжения

площадь импульса всегда постоянна

в единицах фазы 02 2U t dt Информация хранится в виде магнитного потока передается в виде импульсов напряженияПоток джозефсоновская фаза 2-импульс скачок фазы на 2

Быстрая одно-квантовая логика (RSQF logic)

Амплитуда ~ мВ площадь 2мВпс

пс

мВ

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

100 мкА

210ndash19 Дж

01 пФ

(в пп 10ndash13 Дж)

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Полоса gt1 ТГц форма импульса автоматически поддерживается шум фильтруется

Каждая ступень ndash 2-контактный сквид токи смещения I1 I2 обеспечивают подкритическое начальное состояниеТок со входа А переключает J1 в нормальное состояние ток начинает поступать на J2 и тдИными словами скачок фазы в J1 возбуждает SFQ импульс в J2 Задержка D = 40 на каскад

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ RSFQ ЛОГИКИ

Линия передачи SFQ импульсов

РазветвительПереключение J0 увеличивает эффективный поток в ветвях L4-J1 и L5-J2Переключение J1 и J2 порождает SFQ импульсы на выходах Q1 и Q2

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Триггер

Переход смещен так что переключить его могут только два импульса вместе И

Переход смещен так что переключить его может любой из импульсов ИЛИ

Булевы функции

Основа ndash интерферометр J3-L-J4Пусть начальное состояние |0 циркуляция тока против часовой стрелки

SFQ импульс с входа S переключает J3 и ток начинает течь обратно |1 Обратное переключение SFQ импульс на входе R

Переходы J1 и J2 вспомогательные Если на R поступает сигнал когда схема находится в состоянии |0 то переключается J1 и сигнал на интерферометр не проходит

На J4 развивается SFQ импульс и поступает на F

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Информационный сигнал интерпретируется как |1 если SFQ импульс поступает в течение временного интервала задаваемого тактовыми импульсами (D1) Отсутствие импульса в этом интервале рассматривается как |0 (D2) В ожидании тактового импульса входные сигналы хранятся и частично обрабатываются

Информационный протокол RSFQ системРассматривались асинхронные элементы выходной сигнал формируется сразу после входного

Ячейка содержит асинхронные компоненты и может находиться в 2 или более устойчивых состоянияхВходы данных (информационные) и тактовыеТактовые ndash команда на формирование начального состояния ячейки и выходного сигнала

Существенно импульсный характер сигналов требует особого истолкования

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Пример реализации этого протокола рассмотренный выше триггер

Вход S ndash информационный R ndash тактовый

Цикл начинается с тактового импульса который устанавливает |0

Если сигнал S был интерферометр перешел в состояние |1

Если на протяжении тактового периода не было сигнала S то следующий тактовый импульс переключит J1 на выход F сигнал не проходит

Тактовый импульс переключает J4 и SFQ импульс поступает на F

Вентиль ДА входной сигнал воспроизводится с задержкой до появления тактового импульса

Самосинхронизация тактовые и информационные импульсы имеют одинаковую физическую природу J5

CLC

Вентиль НЕТ инвертор

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

1 Число джозефсоновских контактов сравнимо с числом p-n переходов в полупроводниковых схемах выполняющих аналогичные функции

2 Потребляемая мощность определяется не джозефсоновскими контактами а диссипацией в резисторах питания (lt 1 мкВт на вентиль)

3 Допуски на значения параметров лежат между plusmn20 и plusmn30 что приемлемо для современного уровня низкотемпературной техники

4 Самое главное ndash высокая скорость При 35-мкм технологии достижима тактовая частота 100 ГГц Субмикронная технология позволяет ожидать 500 ГГц

5 Обычная планарная технология изготовления более простая чем у полупроводниковых схем

6 Созданы полные наборы элементов RSFQ логики объединенные в чипы с интеграцией ~ 104 джозефсоновских переходов Нет технических препятствий для создания полноценных микропроцессоров

7 Перспективы использования высокотемпературной сверхпроводимости

8 Объект квантовый вычисления классические

Общие характеристики RSFQ логики

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Одноэлектронный транзистор

Заряд на островке растет ступенчато (кулоновская лестница) Ступеньки скругляются с ростом температуры и проницаемости перехода

Заряд конденсатора через резистор заряд растет плавно пропорционально приложенному напряжению

Вместо резистора ndash туннельный переход

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

2

2g

a

CQW QU

C C

21const

2a eW ne QC

Qe = CgUCgПока (n ndash 12)e lt Qe lt (n + 12)e энергетически выгодно чтобы на островке был заряд ne

Условия время туннелирования t ltlt других характерных времен в тч интервала между отдельными актами туннелирования t ~ 10ndash15 c

Малая прозрачность барьера исключает одновременное туннелирование двух и более электронов R gtgt RQ = h4e2 ~ 65 кОм

Работа добавления электрона e22C gt kT Характерная емкость C = e2kT ~ 10ndash15 Ф при 1 К

Возможно надежное изменение заряда на 1 е в системах с огромным числом электроновAl островок ~ 100 нм содержит около миллиона электронов

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

исток

сток

ndash V2

+ V2

затвор

U I(t)

= UC

Периодическая зависимость порогового напряжения от потенциала затвора

Порогкулоновская блокада

21const

2a eW ne QC

t

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28

Применения

bull Сверхчувствительная электрометрия Вблизи порога кулоновской блокады малейшие изменения внешнего заряда приводят к заметным вариациям тока 10ndash5eГц при частоте 1 MHz

bull Сканирующая микроскопия Одноэлектронный транзистор на острие зонда комбинация субмикронного пространственного разрешения и субэлектронного разрешения по заряду

bull Бистабильные одноэлектронные устройства одноэлектронная логика

bull Одноэлектронная спектроскопия измерение уровней энергии в квантовых точках и других нанообъектах

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 28