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Integrierte digitale supraleitende RSFQ-Logikschaltungen für Anwendungen in der Präzisionsmesstechnik

31.12.2003

Neuartige Logik- und Speicherzellen-Architekturen in integrierten digitalen supraleitenden RapidSingle Flux Quantum (RSFQ) Schaltungen bieten eine Basis für neue Quantennormale und für innovative Lösungen zukünftiger Aufgaben der Präzisionsmesstechnik. RSFQ-Schaltungskomponenten können als zentrale Bausteine zur Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, wobei Chipmodule der Supraleitungstechnik untereinander, sowie der Supraleitungs- und Halbleitertechnik miteinander verbunden werden.

Zur Implementierung in Supraleiter/Isolator/Supraleiter (SIS) Nb/Al2O3-Al/ Nb-Technologie wurde ein Schaltungskonzept entwickelt, in dem zirkulare RSFQ-Schieberegister, die in einem elastischen Pipeline-Modus betrieben werden können, als Speicher für binäre Informationen dienen. Die Schaltungen sollen beim Aufbau des Patterngenerators eines Quantensynthesizers eingesetzt werden, der definierte binäre Sequenzen von Spannungspulsen erzeugt und beliebige Wellenformen von Wechselspannungen bis zu Frequenzen von ca. 10 MHz synthetisiert und reproduziert. Darüber hinaus sollen sie auch beim Aufbau von On-Chip- Testschaltungen zur bitweisen Überprüfung korrekter Signalverarbeitung bis zu hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten im GHz-Takt genutzt werden.

In der Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS) Variante ist es gelungen, eine RSFQ-Grundschaltung erstmals auch mit der Nb/HfTi/Nb-Technologie zu realisieren. Es wurde eine Konverterschaltung zur Erzeugung und Detektion einzelner Flussquanten auf der Basis von SNS-Josephson-Rampenkontakten entwickelt und hergestellt und ihre korrekte Funktion bei einer Betriebstemperatur von 1,2 K nachgewiesen. Die SNS-Rampentechnologie zeichnet sich für hochintegrierbare supraleitende Quantenelektronik-Schaltungen besonders aus, da sie die Möglichkeit bietet, Josephsonelemente mit sehr geringen Kontaktabmessungen im Sub-Mikrometerbereich herzustellen.