编辑推荐：
在全约瑟夫森结（all-Josephson-junction，all-JJ）逻辑中，单元面积由约瑟夫森结的尺寸决定，从而实现内在紧凑的布局。可调谐动力电感（tunable kinetic inductance）提供了一条增加电路可重构性的途径，在同一全JJ框架
在全约瑟夫森结（all-Josephson-junction，all-JJ）逻辑中，单元面积由约瑟夫森结的尺寸决定，从而实现内在紧凑的布局。可调谐动力电感（tunable kinetic inductance）提供了一条增加电路可重构性的途径，在同一全JJ框架内进一步推动缩放。在本工作中，研究人员提出了一组用于可重构超导“kinemonics”的基本单元，这些单元利用多层纳米结构的可调谐动力电感，在单个紧凑电路中实现多种逻辑功能。随后，研究人员将这些门组合成一个通用可编程逻辑单元（universal programmable logic cell），该单元仅由四个可重构门和一个可调谐动力电感键（kinetic-inductance control key，KICK）组成，并证明它可以实现所有十六种二输入布尔函数，使其成为具有硬件内可重构性的查找表（look-up table）的类比。研究人员还讨论了如何将同一原理应用于超导神经形态电路（superconducting neuromorphic circuits），其中可调谐动力电感控制类孤子（soliton-like）尖峰在类神经元元件中的路由（routing）、重合检测（coincidence detection）、抑制（inhibition）和延迟（delay）。
**论文解读：可重构超导Kinemonics的基本单元与通用可编程逻辑架构**
**1. 研究背景与问题**
在超导数字电路中，快速单通量量子（Rapid Single-Flux Quantum，RSFQ）逻辑长期占据核心地位，它结合了皮秒级开关速度和极低功耗。然而，随着电路复杂度和集成度的提升，有源和无源元件的物理尺寸成为缩放的主要瓶颈，尤其是电感器占据了大量芯片面积，严重限制了RSFQ电路的功能密度。动力电感（kinetic inductance）提供了直接减小这一面积代价的物理途径——在薄膜或纳米结构超导体中，感应能量主要存储在超导凝聚体的惯性中，因此窄超导段可提供单位长度的大电感，替代庞大的几何电感器。此外，动力电感还具有可调谐性，可通过偏置电流或磁状态改变其值，从而为电路增加可重构功能。然而，高动力电感元件对薄膜厚度、材料成分、线宽、边缘质量等参数要求严格，其实际应用需谨慎处理。
本研究中，研究人员提出的“超导kinemonics”并非特指某种器件，而是一种基于运动（motion-based）的电路架构：信息通过局部相位、电流和电压激发（即类孤子激发，soliton-like excitation）在超导网络中的受控运动来表征和处理。为实现紧凑且可重构的逻辑，研究人员采用全约瑟夫森结（all-Josephson-junction，all-JJ）逻辑框架，其中每个几何电感器都被约瑟夫森结替代，从而避免大无源感性环路。在此基础上，引入可调谐动力电感键（kinetic-inductance control key，KICK）作为模式选择元件，实现电路功能的重构。
**2. 主要关键技术方法**
研究人员采用电阻电容分流约瑟夫森结（resistively and capacitively shunted Josephson-junction，RCSJ）模型描述非线性动力学，所有电流归一化至参考临界电流，电感归一化至约瑟夫森电感。通过显式龙格-库塔（Dormand-Prince型）自适应步长方法对电路方程进行积分模拟。每个逻辑“1”由高斯电流脉冲激励输入全JJ传输线（all-JJTL）产生一个类SFQ的2π相位跳变事件。输出通过检测窗口内的累积相位滑移次数分类，要求电路在脉冲序列结束后恢复至稳定静态。参数扫描在均匀网格上进行，并验证了数值收敛性。KICK元件在电路层面视为具有离散有效值的可调谐感性分支，其物理实现基于超导/铁磁多层结构（如Nb/Co/Nb/Co/Nb/Al自旋触发多层膜），通过铁磁层磁化方向切换改变动力电感，实验上已在开口谐振环中验证了非易失性频率偏移。
**3. 研究结果**
**3.1 可重构全约瑟夫森结逻辑单元**
研究人员设计了三种基本单元：可控制分路器（splitter）、可重构AND/OR门和可重构XOR/OR门。
**可控制分路器**：由四个KICK连接至单个约瑟夫森结构成，可独立启用或禁用四条输出线上的脉冲传输。参数映射显示，在合适电感值范围内，分路器工作正常，且其临界电流裕度超过±20%（典型稳健性指标）。
**可重构AND/OR门**：通过改变动力电感值，低电感时实现AND功能（单脉冲不足以触发输出，需双脉冲同时到达），高电感时实现OR功能（单脉冲可触发输出）。两种模式均能容忍约3皮秒的输入时间偏差。
**可重构XOR/OR门**：低电感时电流通过触发阻塞结（junction J3）实现XOR功能（双脉冲被抑制，单脉冲通过），高电感时阻塞结无法切换，实现OR功能。扩展电路通过引入两个可调谐动力电感可实现非对称函数A∧?B，适用于神经形态电路中的定向抑制。
**通用可编程逻辑单元（UPC）**：通过穷举搜索，研究人员发现最少需要5个可配置元件（4个可重构门加1个KICK）才能实现所有16种二输入布尔函数。最优架构包含两个XOR/OR门、两个AND/OR门和一个在输入A分路器中带可调谐动力电感的分路器。该单元包含约140个约瑟夫森结，通过全JJ传输线互连，无静态耦合。与基于NDRO存储阵列的查找表（313个结）相比，其结数更少，功能由门的工作模式而非存储真值表定义。
**3.2 动力电感在尖峰神经网络元件中的应用**
研究人员将同一原理扩展至超导神经形态电路。在类生物神经元胞体模型中，用可调谐动力电感替代部分几何电感，可改变电路动力学模式：通过调节电感值，可观察到规则模式（regular mode，RM）、稳态模式（steady-state mode，SSM）、爆发模式（bursting mode，BM）和非生物模式（non-biological mode，NBM）。这些模式通过输入刺激下的电压尖峰波形区分。通用可编程单元可自然映射到尖峰处理中的局部操作：AND对应重合检测，OR对应输入整合，XOR对应失配检测，非对称函数对应抑制或条件路由。通过延迟反馈和交叉抑制，可实现赢者通吃（winner-take-all）竞争、不应期、尖峰时序依赖可塑性（spike-timing-dependent plasticity，STDP）等生物启发机制。
**4. 讨论与结论**
研究人员提出了一组紧凑的可重构超导kinemonics基本单元，动力电感不仅替代了笨重的几何电感，还作为功能控制参数。通过组合这些单元，构造了最小元件数量的通用可编程逻辑单元，可作为超导查找表的类比，但功能由硬件模式而非存储真值表定义。该架构在功能密度、紧凑性和后制备可调性方面具有优势。在神经形态电路中，同一设计原则可用于调谐神经元胞体的动力学边界。主要实践优势在于同时减小了面积和寄生磁耦合，且可调谐动力电感提供了补偿制备分散性的自由度。物理实现上，所需电感值对应亚微米长度的高动力电感纳米带，磁KICK元件基于超导/铁磁多层膜，实验上已初步验证。所有结果基于确定性RCSJ方程，未考虑热噪声影响，但操作域较宽，预期可满足噪声要求。该工作为紧凑可重构数字逻辑和超导神经形态硬件提供了新方向。论文发表在《Nanomaterials》。
