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Flussquanten-Phasenschieber für integrierte RSFQ-Qubit-Schaltungsanwendungen

07.12.2006

Es wurde ein neues Schaltungskonzept entwickelt, in dem supraleitende Phasenschieberelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen integriert werden. Die Phasenschieberelemente wurden auf der Basis supraleitender Schleifen aus Nb gebaut, die durch eine kleine Zahl eingefrorener Flussquanten eine definiert einstellbare Verschiebung der Phase in der Stromstärke-Phasen-Beziehung erzeugen. Diese neuartigen Elemente wurden in Toggle-Flipflop (TFF)-Schaltungen integriert; hierin ersetzen sie Speicherinduktivitäten konventioneller Designtechnik mit aufwendigen Leitungsführungen, wodurch sie einen kompakten Schaltungsaufbau erlauben. Im vorliegenden Fall einer Phasenverschiebung von π verhält sich die Struktur wie ein zu einem konventionellen Josephsonelement komplementäres Schaltelement (eine so genannte Pi-Junction). Auf der Basis von π-phasenverschobenen Bauelementen lassen sich RSFQ-Schaltungen durch starke Reduzierung der Zellendimensionen und Aufweitung der Toleranzbereiche hervorragend den Josephson-Qubit-Schaltungen mit notwendigerweise sehr kleinen Strömen anpassen.
Die Schaltungen wurden in 4-µm Nb/Al-AlxOy/Nb Trilayer-Technologie mit extern geshunteten Josephsonelementen bei Werten der kritischen Stromdichte von jC = 1 kA/cm2 hergestellt und bei Temperaturen von T = 4,2 K erfolgreich getestet. In den Experimenten wurde der magnetische Fluss während des Abkühlens der Proben durch einen externen DC-Kontrollstrom (Control line) erzeugt. Bei Unterschreiten der Sprungtemperatur von Nb wurde dieser Kontrollstrom nicht mehr benötigt und abgeschaltet; ein permanenter Dauerstrom zirkulierte solange durch die Schleifenstruktur, bis nach Ende der Experimente die Proben wieder erwärmt wurden. Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild (a), das Blockdiagramm (b) und eine Microfotografie (c) der TFF-Schaltung. Bild 2 zeigt Messungen, mit denen die korrekte Funktionalität, ein stabiles Verhalten, sowie die verbesserten Betriebstoleranzen der Schaltung nachgewiesen wurden.


Bild 1: T-Flipflopschaltung mit integriertem Phasenschieberelement,
(a): Prinzipschaltbild, (b): Blockdiagramm, (c): Mikrofotografie des zentralen Bereichs der Schaltung


Bild 2: Betrieb eines RSFQ-T-Flipflops mit integriertem Phasenschieberelement.
a): In der Schleife des Phasenschieberelementes ist kein Fluss eingefangen. In diesem Fall arbeitet das T-Flipflop wie ein gewöhnliches Segment einer Josephson-Transmissionsleitung.
b): In der Schleife des Phasenschieberelementes befindet sich ein eingefangenes Flussquant. Wie erwartet, ist hier die Frequenz der Ausgangssignale Vout1 und Vout2 viermal kleiner als die Frequenz der Eingangsstromstärke Iin. Das T-Flipflop arbeitet korrekt: Vout1 und Vout2 sind gegeneinander um genau eine Periode des Eingangssignals Iin verschoben.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des DFG-Vorhabens "Flussquanten-Phasenschieber" (NI253/7-1/UH53/6-1) und des EU-Projekts "RSFQubit" (FP6-502807) durchgeführt.