JP2013019777A - 超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い光子検出精度を得ることができる超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法を提供する。
【解決手段】 超伝導単一光子検出器２１〜２４と超伝導単一磁束量子回路３０との間は交流信号伝送経路によって接続され、超伝導単一光子検出器２１〜２４にバイアス電流を供給するバイアス電流経路５１〜５４は、交流信号伝送経路に高インピーダンス素子６１〜６４を介して接続され、高インピーダンス素子６１〜６４は、高周波におけるインピーダンスが超伝導単一磁束量子回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒのインピーダンスより高いよう構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超伝導単一光子検出器を用いた超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法に関する。

超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector、以下ＳＳＰＤと略する場合がある）は、高感度、低雑音かつ高速動作可能な単一光子検出器として量子情報通信、量子光学など様々な分野への利用が期待されている。特に、閉サイクルの冷凍機内にＳＳＰＤを実装した超伝導単一光子検出システムは、安定的に極低温（３Ｋ程度）を実現でき、しかも連続動作が可能となるため、実用上有効なシステムであることが確認されている（例えば非特許文献１，２参照）。ＳＳＰＤにおいて単一光子を検出する検出素子としてはナノワイヤと呼ばれる検出素子が用いられる。ナノワイヤは例えば窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる窒化ニオブ配線を超伝導状態で使用するものであり、受光部は、ナノワイヤが受光面にメアンダ状（蛇行形状）に形成されることにより構成されている。

このようなＳＳＰＤを用いた超伝導単一光子検出システムにおいては、１つの光入力に対し、１つの受光部を用いて１つの出力が得られる単ピクセル素子が一般的に用いられる。このような単ピクセル素子を用いた超伝導単一光子検出システムにおいては、システムによる光子検出効率が１０〜２０％程度、暗計数１００Ｈｚ程度、応答速度５０ＭＨｚ程度、ジッタ１００ｐｓ程度の性能が実現できている。

ここで、入射光子とＳＳＰＤの間で高い光結合効率を達成するためには、ＳＳＰＤに入射する光のスポット直径（約９μｍ）に対して十分大きな受光面積を確保しなければならず、約１５μｍ角程度の受光面積が要求される。一方で、１つのＳＳＰＤについて受光面積を大きくすると、ナノワイヤの長さが長くなるため、ナノワイヤ中の欠陥が多くなってしまい、素子性能が劣化してしまう。また、ナノワイヤの長さを長くすると、ナノワイヤのインダクタンスが増大する。したがって、ナノワイヤのインダクタンスに依存する時定数（インダクタンス／抵抗値）が増大するため、ナノワイヤを伝送する信号の速度が遅くなってしまう。この結果、応答速度が低下してしまう。

このような課題に対する解決策として、所定の受光面積を複数の受光部（複数のピクセル）に分割する構成が知られている（例えば非特許文献３参照）。高光結合効率を達成する為の受光面積を確保しつつ、受光面積を多分割することで１ピクセルあたりのナノワイヤ長を短くすることができる。すなわち、高い光結合効率を達成しつつ、素子性能劣化・応答速度低下を防止することができる。

前述したように、ＳＳＰＤを超伝導で動作させるために、ＳＳＰＤは冷凍機内に実装する必要がある。また、外部からＳＳＰＤにバイアス電流を供給する必要がある。このため、従来は交流信号伝送経路である同軸ケーブルを冷凍機内から外部へ延出させて信号読み出し回路に接続するとともに、外部に露出した同軸ケーブルにバイアスティ（Bias Tee）を介してバイアス電流を供給するバイアス経路を接続している。図８は従来の超伝導単一光子検出システムにおいて複数の超伝導単一光子検出器を用いた場合の概略構成例を示す模式図である。図８に示すように、従来においては、フォトン源１０４から光子が照射される複数のＳＳＰＤ１２１〜１２４で構成されるＳＳＰＤアレイ１０２が内部に実装された冷凍機１０５からＳＳＰＤ１２１〜１２４と同数の同軸ケーブル１４１〜１４４が外部に露出している。バイアスティＴ１０１〜Ｔ１０４は、各同軸ケーブル１４１〜１４４に直列接続されたキャパシタＣ１０１〜Ｃ１０４と、各同軸ケーブル１４１〜１４４から分岐した配線（バイアス経路）１５１〜１５４に接続されたインダクタＬ１０１〜Ｌ１０４とを備えている。インダクタＬ１０１〜Ｌ１０４に接続されたバイアス経路１５１〜１５４がバイアス電流の電圧源１７１〜１７４に接続されており、電圧源１７１〜１７４からのバイアス電流がバイアス経路１５１〜１５４および同軸ケーブル１４１〜１４４を介して各ＳＳＰＤ１２１〜１２４に供給される。

このように、従来構成においては、極低温の冷凍機１０５内にある複数のＳＳＰＤ１２１〜１２４と室温にある信号読み出し回路（図示せず）との間を繋ぐ複数の同軸ケーブル１４１〜１４４が極低温−室温間で接続されるため、当該同軸ケーブル１４１〜１４４を介した冷凍機１０５内への熱流入が大きくなってしまう。特に、ＳＳＰＤ１２１〜１２４の数を増やそうとすると、接続する同軸ケーブル１４１〜１４４の数もそれに応じて増加するため、熱流入量はより大きくなり、冷凍機１０５内の極低温状態を維持するのが困難になってしまい、ＳＳＰＤアレイを超伝導状態にする事ができなくなってしまう。

そこで、信号読み出し回路として極低温環境で論理演算が可能な超伝導単一磁束量子回路（superconducting Single Flux Quantum circuit、以下、超伝導ＳＦＱ回路と略する場合がある）を用いて、システム系（すなわち、ＳＳＰＤ、同軸ケーブルおよび信号読み取り回路）をすべて冷凍機内に実装することが考えられる（例えば特許文献１参照）。この場合でも、図８に示したような従来の接続方式を踏襲した場合、冷凍機内部にバイアスティを取り付ける必要が生じる。

特開２００９−２３２３１１号公報

G. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, and R. Sobolewski, " Picosecond superconducting single photon detector," Appl. Phys. Lett. 79, 705-707 (2001). S. Miki, T. Yamashita, M. Fujiwara, M. Sasaki, and Z. Wang, "Multichannel SNSPD system with high detection efficiency at telecommunication wavelength," Opt. Lett., Vol. 35, No. 13, 2133-2135, 2010 E.A.Dauler, A. J. Kerman, B. S. Robinson, J. K. W. Yang, B. Voronov, G. Gol'tsman, S. A. Hamilton, and K. K. Berggren, "Multi-element superconducting nanowire single photon detectors," IEEE Tran. Appl Super, 17, pp.279, 2007

しかしながら、バイアスティのユニット１つあたりの大きさは通常３ｃｍ角と大きいため、複数の同軸ケーブルに対応して必要となる複数のバイアスティを小型かつＡＣ１００Ｖ電源で駆動可能な実用的な冷凍機（例えばＧＭ冷凍機）内へ実装することが困難である。一方、冷凍機を大型化すると、システムの小型化および低コスト化が困難になる。また、バイアスティを構成するキャパシタおよびインダクタをＳＳＰＤまたはＳＦＱ回路を構成するＩＣチップに形成することも考えられるが、一般的なバイアスティ（キャパシタンス０．２μＦ程度かつインダクタンス１ｍＨ程度）を実現するためには、広い面積を必要とするため、現実的ではない。将来的に、大規模ＳＳＰＤアレイを実現するためには、小型で冷却能力に制限のある冷凍機に、ＳＳＰＤアレイおよびＳＦＱ回路を接続して実装できるかが重要な課題となる。

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い性能を得ることができる超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法を提供することを目的とする。

本発明のある形態に係る超伝導単一光子検出システムは、バイアス電流によって動作する超伝導単一光子検出器と、前記超伝導単一光子検出器から出力される検出信号を負荷抵抗素子を有する変換器を用いて単一磁束量子信号に変換し、演算処理を行う超伝導単一磁束量子回路と、を備え、前記超伝導単一光子検出器と前記超伝導単一磁束量子回路との間は交流信号伝送経路によって接続され、前記超伝導単一光子検出器に前記バイアス電流を供給するバイアス電流経路は、前記交流信号伝送経路に高インピーダンス素子を介して接続され、前記高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが前記超伝導単一磁束量子回路の前記負荷抵抗素子のインピーダンスより高いよう構成されている。

上記構成によれば、超伝導単一光子検出器と超伝導単一磁束量子回路との接続間に高インピーダンス素子を介してバイアス電流経路が接続され、超伝導単一光子検出器を動作させるためのバイアス電流がバイアス電流経路、高インピーダンス素子、および交流信号伝送経路を介して超伝導単一光子検出器に供給される。ここで、超伝導単一光子検出器は、動作時において超伝導状態となるため、極低抵抗（約０Ω）となるため、超伝導単一光子検出器と超伝導単一磁束量子回路との間にキャパシタを設けなくても、バイアス電流は、超伝導単一磁束量子回路の負荷抵抗素子より抵抗値の低い超伝導単一光子検出器側に流れる。また、高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが超伝導単一磁束量子回路の負荷抵抗素子のインピーダンスより高いため、超伝導単一光子検出器からの検出信号がバイアス電流経路に進むのを防止することができる。このように、バイアスティを用いることなく、簡単な抵抗素子のみでバイアス電流経路を超伝導単一光子検出器に接続することができ、複数の超伝導単一光子検出器による多ピクセル化が図れる。したがって、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、高い性能（高検出効率および高速応答）を得ることができる。

前記超伝導単一光子検出器、前記超伝導単一磁束量子回路、前記交流信号伝送経路および前記高インピーダンス素子は、冷凍機内に実装されてもよい。これにより、熱侵入の要因となる室温から導入する交流信号伝送経路の本数を大幅に減らすことが可能となるため、超伝導単一光子検出器の数によらず安定した極低温を実現することができる。

前記超伝導単一光子検出システムは、複数の前記超伝導単一光子検出器と、前記複数の超伝導単一光子検出器に対応して設けられた複数の前記超伝導単一磁束量子回路および複数の前記交流信号伝送経路と、前記複数の交流信号伝送経路に対応して設けられた複数の前記高インピーダンス素子とを備えてもよい。これによれば、複数の超伝導単一光子検出器による多ピクセル化を図ることができる。

さらに、前記バイアス電流経路は、１つの電流源から前記複数の高インピーダンス素子へ前記バイアス電流を供給するよう構成されていてもよい。これにより、複数の超伝導単一光子検出器を設ける場合でも１本のバイアス電流経路を冷凍機内に導入し、冷凍機内で各超伝導単一光子検出器に対応する高インピーダンス素子に接続するように経路を分岐させることができる。したがって、冷凍機内への熱の流入をより抑えることができる。

前記超伝導単一光子検出器は、単一光子を検出する超伝導ナノワイヤ検出素子を備え、前記高インピーダンス素子は、前記超伝導ナノワイヤ検出素子より線幅の細いナノワイヤで構成されていてもよい。これにより、超伝導単一光子検出器を作製するプロセスと同じプロセスで高インピーダンス素子を作製することが可能となるため、製造コストおよび製造工程数を削減することができる。また、高インピーダンス素子を小さな面積で実現することができる。

また、本発明の他の形態に係る超伝導単一光子検出方法は、バイアス電流経路を通じて超伝導単一光子検出器にバイアス電流を供給することにより、単一光子を検出する検出ステップと、検出された単一光子を検出信号として出力し、交流信号伝送経路を通じて超伝導単一磁束量子回路に伝達し、負荷抵抗素子を有する変換器を用いて単一磁束量子信号に変換した後、演算処理を行う処理ステップと、を含み、前記バイアス電流は、前記交流信号伝送経路に高インピーダンス素子を介して接続されたバイアス電流経路を通じて前記超伝導単一光子検出器に供給され、前記高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが前記超伝導単一磁束量子回路の前記負荷抵抗素子のインピーダンスより高くなっている。

上記方法によれば、超伝導単一光子検出器と超伝導単一磁束量子回路との間の交流信号伝送経路に高インピーダンス素子を介してバイアス電流経路が接続され、超伝導単一光子検出器を動作させるためのバイアス電流がバイアス電流経路、高インピーダンス素子および交流信号伝送経路を介して超伝導単一光子検出器に供給される。ここで、超伝導単一光子検出器は、動作時において超伝導状態となるため、極低抵抗（約０Ω）となるため、超伝導単一光子検出器と超伝導単一磁束量子回路との間にキャパシタを設けなくても、バイアス電流は、超伝導単一磁束量子回路の負荷抵抗素子より抵抗値の低い超伝導単一光子検出器側に流れる。また、高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが超伝導単一磁束量子回路の負荷抵抗素子のインピーダンスより高いため、超伝導単一光子検出器からの検出信号がバイアス電流経路に進むのを防止することができる。このように、バイアスティを用いることなく、簡単な抵抗素子のみでバイアス電流経路を超伝導単一光子検出器と超伝導単一磁束量子回路との間の交流信号伝送経路に接続することができ、複数の超伝導単一光子検出器による多ピクセル化が図れる。したがって、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い光子検出精度を得ることができる。

本発明は以上に説明したように構成され、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い性能（高検出効率・高速応答）を得ることができるという効果を奏する。

図１は本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。 図２は図１に示す超伝導単一光子検出システムのＳＳＰＤおよびＳＦＱ回路の構成例を示す回路図である。 図３は本発明の第２実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。 図４は本発明の第３実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。 図５は本発明の第４実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。 図６は本発明の実施例における光子検出効率および暗計数のＳＳＰＤバイアス電流に対する変化についての測定結果を示すグラフである。 図７は本発明の実施例におけるジッタについての測定結果を示すグラフである。 図８は従来の超伝導単一光子検出システムにおいて複数の超伝導単一光子検出器を用いた場合の概略構成例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の超伝導単一光子検出システム１は、バイアス電流によって動作する超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）２１〜２４と、超伝導単一光子検出器２１〜２４から出力される検出信号を変換器３１〜３４により単一磁束量子に変換し、出力変換回路３５によって信号処理を行う超伝導単一磁束量子回路（ＳＦＱ回路）３０とを備えている。

本実施形態においては、ＳＳＰＤチップ２に、複数（４つ）のＳＳＰＤ２１〜２４が設けられており、ＳＳＰＤアレイ２０を構成している。超伝導単一光子検出システム１は、ＳＳＰＤアレイ２０に向けてフォトンを射出するフォトン源４を備えている。このように、１つのＳＳＰＤチップ２上に形成されたＳＳＰＤアレイ２０に、フォトン源４からのフォトンを受光させることができるため、１つのフォトン入力に対して、多ピクセルの受光素子を形成することができる。したがって、１ピクセルあたりの受光面積を縮小化することができ、検出効率や応答速度を高めることができる。また、多ピクセル配置とすることにより、空間分解能や光子数識別能力（フォトンの擬似的な入力数）を高めることができるため、量子光学実験や量子情報通信等への利用が期待できる。

ＳＦＱ回路３０は、ＳＦＱチップ３上に設けられている。具体的には、ＳＦＱ回路３０は、各ＳＳＰＤ２１〜２４に対応して設けられ、超伝導単一光子検出器２１〜２４から出力される検出信号をＳＦＱパルス信号にそれぞれ変換する変換器（ＭＣ−ＤＣ／ＦＳＱコンバータ：Mutual Coupling-DC/FSQ Converter）３１〜３４と、変換器３１〜３４で変換された微弱なＳＦＱパルス信号を観測可能なパルス信号に変換する出力変換回路３５と、出力変換回路３５から出力される電圧パルスのパルス幅を長くして出力信号を生成するＳＱＵＩＤドライバ３６とを備えている。

各ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０の各変換器３１〜３４との間はＳＳＰＤに対応する数の交流信号伝送経路（高周波信号伝送経路）によって接続されている。具体的には、各ＳＳＰＤ２１〜２４には、ＳＳＰＤチップ２に設けられた同軸線路（ＳＳＰＤ同軸線路）２４１〜２４４が接続されている。また、ＳＦＱ回路３０の各変換器３１〜３４には、ＳＦＱチップ３に設けられた同軸線路（ＳＦＱ同軸線路）３４１〜３４４が接続されている。そして、ＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４とＳＦＱ同軸線路３４１〜３４４との間には、同軸ケーブル４１〜４４が接続されている。すなわち、交流信号伝送経路は、チップ２，３に設けられた同軸線路２４１〜２４４，３４１〜３４４および同軸ケーブル４１〜４４を含む概念である。

交流信号伝送経路（本実施形態においてはＳＦＱ同軸線路３４１〜３４４）には、それぞれ、ＳＳＰＤ２１〜２４にバイアス電流を供給するバイアス電流経路（直流経路）５１〜５４が高インピーダンス素子６１〜６４を介して接続されている。すなわち、高インピーダンス素子６１〜６４の一端がＳＦＱ同軸線路３４１〜３４４に接続され、高インピーダンス素子６１〜６４の他端がバイアス経路５１〜５４に接続されている。高インピーダンス素子６１〜６４は、それぞれ、高周波におけるインピーダンスがＳＦＱ回路３０の各変換器３１〜３４に設けられている負荷抵抗素子Ｒｒのインピーダンスより高いよう構成されている。なお、高周波におけるインピーダンスとは具体的には抵抗素子における抵抗値またはインダクタにおけるインダクタンスを意味する。高インピーダンス素子６１〜６４は、ＳＦＱチップ３上に設けられている。バイアス電流経路５１〜５４には、抵抗素子８１〜８４を介してバイアス電流源７１〜７４が接続されている。具体的には、バイアス電流源７１〜７４から抵抗素子８１〜８４に印加される電圧によって定められるバイアス電流が各ＳＳＰＤ２１〜２４に供給される。

ＳＳＰＤチップ２およびＳＦＱチップ３は、冷凍機５内に実装されている。すなわち、ＳＳＰＤアレイ２０、ＳＦＱ回路３０、交流信号伝送経路および高インピーダンス素子６１〜６４は、冷凍機５内に実装されている。バイアス電流経路５１〜５４は冷凍機５から外部に延出され、冷凍機５の外部に設けられる抵抗素子８１〜８４および電流源７１〜７４に接続されている。冷凍機５は、例えば小型のＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などが好適に用いられる。

上記構成によれば、ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０との間の同軸ケーブル４１〜４４のそれぞれに高インピーダンス素子６１〜６４を介してバイアス電流経路５１〜５４が接続され、各ＳＳＰＤ２１〜２４を動作させるためのバイアス電流がバイアス電流経路５１〜５４、高インピーダンス素子６１〜６４および同軸ケーブル４１〜４４を介してＳＳＰＤ２１〜２４に供給される。ここで、ＳＳＰＤ２１〜２４は、動作時において超伝導状態となるため、極低抵抗（約０Ω）となる。このため、ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０との間にキャパシタを設けなくても、バイアス電流は、ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒより抵抗値の低いＳＳＰＤ２１〜２４側に流れる。また、高インピーダンス素子６１〜６４は、高周波におけるインピーダンスがＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒのインピーダンスより高いため、ＳＳＰＤ２１〜２４からの検出信号がバイアス電流経路５１〜５４に進むのを防止し、ＳＦＱ回路３０に効率よく検出信号を伝達することができる。このように、バイアスティを用いることなく、簡単な抵抗素子６１〜６４をＳＦＱチップ３またはＳＳＰＤチップ２内に作製することでバイアス電流をＳＳＰＤ２１〜２４に流すことができ、複数のＳＳＰＤ２１〜２４による多ピクセル化が図れる。

さらに、前述したとおり、ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０との接続を交流信号伝送経路により冷凍機５内で行うことができる。これにより、室温から導入する同軸ケーブルの本数を減らすことが可能となり、室温側からの熱流入を劇的に減らすことができる。なお、バイアス電流経路５１〜５４は冷凍機５外に延出されているが、同軸ケーブル４１〜４４に比較すれば、直流経路であるバイアス電流経路５１〜５４におけるリード線を介しての冷凍機５内への熱の侵入は十分小さい。したがって、ＳＳＰＤ２１〜２４の数によらず安定した極低温を実現することができる。以上より、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い光子検出精度を得ることができる。

なお、本実施形態における高インピーダンス素子６１〜６４は、従来のプロセスで作製可能な金属薄膜による抵抗素子で形成されている。しかし、本発明は負荷抵抗素子ＲｒよりＳＳＰＤ２１〜２４から出力される検出信号に対するインピーダンスが高い素子であればこれに限られず、例えばインダクタで構成してもよい。

ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒのインピーダンスを５０Ωした場合、高インピーダンス素子６１〜６４のインピーダンスは、例えば、５ｋΩ程度あればよい。抵抗素子８１〜８４のインピーダンスは、例えば１００ｋΩ程度である。

以下に、ＳＳＰＤ２１〜２４およびＳＦＱ回路３０のより具体的な構成について説明する。図２は図１に示す超伝導単一光子検出器アレイシステムのＳＳＰＤおよびＳＦＱ回路の構成例を示す回路図である。なお、図２においては１つのＳＳＰＤ２１のみを明示し、他のＳＳＰＤ２２〜２４および対応する構成については図示を省略している。

ＳＳＰＤ２１は、単一光子を検出する超伝導ナノワイヤ検出素子７を備えている。超伝導ナノワイヤ検出素子７は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板の表面に窒化ニオブ（ＮｂＮ）がメアンダ状（蛇行形状）に積層されて形成されている。例えば、数十〜数百ナノメートルの線幅で所定のピッチに形成され、冷凍機５を用いて冷却され、超伝導状態で使用される。超伝導ナノワイヤ検出素子７を含む受光面の受光面積は、ＳＳＰＤ２１の使用目的やＳＳＰＤアレイ２０を構成するＳＳＰＤの数によって適宜定められる。例えば受光面の受光面積を５×５μｍ角とすると、光子の検出効率を高めることができる。

電流源７１および抵抗素子８１は、超伝導ナノワイヤ検出素子７に臨界電流をわずかに下回る所定のバイアス電流が流れるように電流値および抵抗値が設定される。このような構成において、光子Ｐ（シングルフォトン）が超伝導ナノワイヤ検出素子７に入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではエネルギーギャップを超えるエネルギーが供給され、ホットスポットという常伝導領域（高抵抗領域）が発生する。この場合、この箇所においては、ホットスポットを迂回するように超伝導ナノワイヤ検出素子７における当該ホットスポットの幅方向両側部分に電流が集中的に流れる。

すると、ホットスポットの周囲を流れる電流は臨界電流を超え、ホットスポットの幅方向両側部分も常伝導状態となる。すなわち、当該箇所における超伝導ナノワイヤ検出素子７の幅方向全域にわたって常伝導領域が一時的に形成されることとなる。このようにして、光子Ｐの超伝導ナノワイヤ検出素子７への入射に応じて超伝導ナノワイヤ検出素子７が抵抗変化することとなる。このとき、電流源７１からのバイアス電流は、ＳＦＱ回路３０の変換器３１側へ流れる。したがって、このような抵抗変化に基づいてＳＳＰＤ２１に印加される電圧が変化するため、入射した光子Ｐが検出信号（電圧信号）として適切に検出される。検出信号は、同軸ケーブル４１を介してＳＦＱ回路３０の変換器３１に伝達される。

なお、高インピーダンス素子６１〜６４の高周波におけるインピーダンスは、ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒより高い値に設定される。

変換器３１は、ＳＳＰＤ２１から出力された検出信号を単一磁束量子に変換して出力するよう構成されている。具体的には、交流信号伝送経路（同軸ケーブル４１および同軸線路２４１，３４１）および負荷抵抗素子Ｒｒに直列接続された一次コイルＬ１と、当該一次コイルＬ１と相互誘導可能に配置された二次コイルＬ２とを備えている。二次コイルＬ２には一対のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２が接続されており、一対のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２が超伝導量子干渉光子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を構成している。

ＳＳＰＤ２１から出力された検出信号は、一次コイルＬ１から二次コイルＬ２へと相互誘導し、磁束に変換される。ＳＱＵＩＤは、電流源６および第１抵抗素子Ｒ１により臨界電流を下回るレベルにバイアスされている。したがって、検出信号が伝達されない場合には、ＳＱＵＩＤには磁束が生じないため、ＳＱＵＩＤの両端に発生する電圧は０Ｖとなる。一方、検出信号が伝達され、一次コイルＬ１から二次コイルＬ２への相互誘導によりＳＱＵＩＤに磁束が生じると、ジョセフソン接合Ｊ２を流れる電流が臨界電流値を超え、磁束量子（ＳＦＱ：Single Flux Quantum）がジョセフソン接合Ｊ２を含む左右の（コイルＬ２，Ｌ３を含む）ＳＱＵＩＤループに発生する。コイルＬ３を含むＳＱＵＩＤループに発生したＳＦＱはジョセフソン接合Ｊ５をスイッチさせ消失するとともに、さらに右側のコイルＬ４、Ｌ５を含むＳＱＵＩＤループにＳＦＱを発生させる。以下、ジョセフソン接合がはしご的にスイッチを繰り返すことで、ＳＦＱは回路内を伝搬する。このＳＱＵＩＤループをカスケード接続したＳＦＱの伝搬回路は、通常ジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ：Josephson Transmission Line）と呼ばれる。磁束量子の伝搬には、必ずジョセフソン接合のスイッチが伴うため、電気的には幅４〜５ｐｓ、電圧強度０．４〜０．５ｍＶの電圧パルス（ＳＦＱパルス）が伝搬していくことと等価である。

変換器３１から出力されたＳＦＱパルスＳ１は、出力変換回路３５に入力される。出力変換回路３５は、変換器３１から出力されたＳＦＱパルスＳ１をトリガとして発振するリングオシレータ（Ring Oscillator）９と、リングオシレータ９から発振された複数のＳＦＱパルスをカウントするカウンタ８とを有している。カウンタ８は、例えば、複数段のＴフリップフロップから構成される。また、リングオシレータ９は、ＪＴＬをリング状に接続することにより構成される。出力変換回路３５には、他のＳＳＰＤ２２〜２４に対応する変換器（図示せず）の出力（ＳＦＱパルスＳ２〜Ｓ４）も入力される（複数の変換器の出力Ｓ１〜Ｓ４が１つの出力変換回路３５に入力される）。

なお、ＳＦＱ回路３０は、出力変換回路３５で変換された観測可能な電圧パルス信号を１つに集約して所定の演算処理を行う演算回路（図示せず）も有している。演算回路の構成は、超伝導単一光子検出システム１が適用される装置等によって適宜定められる。例えば、量子鍵配布の目的で超伝導単一光子検出システム１が適用される装置においては、演算回路として複数入力を１出力にマージするようなＯＲ論理回路が適用される。また、イメージングセンサに適用される場合には、演算処理回路としてカウンタ８の結果を一時的に保持する記憶部と、所定のタイミングでシリアルに読み出す読み出し回路とを含むように構成されてもよい。

出力変換回路３５から出力されたＳＦＱパルスは、出力電圧レベルとして約２ｍＶを得るためのＳＱＵＩＤドライバ３６に入力される。ＳＱＵＩＤドライバ３６は例えば複数段のＳＱＵＩＤが直列接続されたＳＱＵＩＤループと磁気結合したＲＳフリップフロップで構成される。本実施形態においては、ＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓには、変換器３１の出力が入力され、リセット端子Ｒには、カウンタ８の出力が入力される。変換器３１〜３４、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６には、個別の電流源６から電流が供給され、各回路はこれらの電流によって駆動する。なお、電流源６は共通の電流源を用いてもよい。

なお、本実施形態においては説明を簡単化するため、変換器３１の出力がそのままＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓに入力されることとしているが、本発明はこれに限られない。例えば、上記で説明したような信号処理回路の出力がセット端子Ｓに入力されることとしてもよい。

変換器３１から出力されるＳＦＱパルスＳ１は、非常に微弱である（短いパルス幅および小さい電圧レベルを有している）ため、これを後段の回路およびシステムで利用可能な信号として出力するために、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６によって増幅（パルス幅および電圧レベルともに増幅）している。例えばパルス幅４〜５ｐｓおよび電圧レベル０．４〜０．５ｍＶ程度（ピーク値）のＳＦＱパルスＳ１を１ｎｓ程度のパルス幅および２ｍＶ程度の電圧レベル（ピーク値）に増幅する。

具体的には、ＳＦＱパルスＳ１がＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓに入力されることにより、出力信号の開始トリガとなる（出力信号が立ち上がる）。その後、カウンタ８においてリングオシレータ９からのＳＦＱパルスを所定数カウントすると、ＳＱＵＩＤドライバ３６のリセット端子Ｒにカウンタ８からの出力が入力され、出力信号の終端トリガとなる（出力信号の立ち下がる）。このようにして、ＳＱＵＩＤドライバ３６から出力された出力信号は、同軸ケーブル３７を介して冷凍機５外に出力される（図１参照）。

以上のように、冷凍機５に導入される同軸ケーブルは、ＳＱＵＩＤドライバ３６の出力信号を伝送する同軸ケーブル３７のみとなる。同軸ケーブル３７の数（１本）は、ＳＳＰＤ２１〜２４の数（ピクセル数）に関係しない。例えば、従来の構成において１万ピクセルのＳＳＰＤアレイを実現しようとすると、１万本の同軸ケーブルが冷凍機外へ延びることとなるが、本実施形態によれば１本の同軸ケーブル３７のみが冷凍機５外へ延びることとなる。したがって、多ピクセル化を行っても、冷凍機５内への熱の侵入量が増大するのを有効に防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。本実施形態において第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の超伝導単一光子検出システム１Ｂが第１実施形態の超伝導単一光子検出システム１と異なる点は、図３に示すように、バイアス電流経路５０が、１つの電流源７０から複数の高インピーダンス素子９１〜９４へバイアス電流を供給するよう構成されていることである。より詳しくは、バイアス電流経路５０は、冷凍機５内で１本に集約された後、冷凍機５の外部へ延出され、常温下の電流源７０に接続されている。

これにより、複数のＳＳＰＤ２１〜２４を設ける場合でも１本のバイアス電流経路５０を冷凍機５内に導入し、冷凍機５内で各ＳＳＰＤ２１〜２４に対応する高インピーダンス素子９１〜９４に接続するように経路を分岐させることができる。したがって、冷凍機５内への熱の流入をより抑えることができる。

さらに、本実施形態においては、高インピーダンス素子９１〜９４がＳＳＰＤチップ２Ｂに設けられている。すなわち、高インピーダンス素子９１〜９４は、ＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４に接続されている。この場合、高インピーダンス素子９１〜９４は、超伝導ナノワイヤ検出素子７より線幅の細いナノワイヤで構成されていてもよい。例えば、高インピーダンス素子９１〜９４の線幅を、ＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子７の線幅より細くすることにより、当該高インピーダンス素子９１〜９４で用いられるナノワイヤの臨界電流値は当該高インピーダンス素子９１〜９４を介してＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子７に流れるバイアス電流より小さくなる。すなわち、バイアス電流を流すことにより高インピーダンス素子９１〜９４におけるナノワイヤは常に臨界電流を超える電流が流れるため、極低温下にあっても常伝導状態となる。したがって、ナノワイヤを比較的高いシート抵抗を有する抵抗素子として利用することができる。例えば、ＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子７の線幅を１００ｎｍとした場合、高インピーダンス素子９１〜９４のナノワイヤの線幅は５０ｎｍ程度とすればよい。このようなナノワイヤのシート抵抗が５００Ω（例えば膜厚４ｍｍのＮｂＮ薄膜）であるとき、長さ１０μｍのナノワイヤを形成することにより、１００ｋΩの抵抗素子として利用することができる。ナノワイヤをメアンダ状に作製する場合、２μｍ×０．４５μｍ（２μｍの長さを５回折り返す）の面積内に、１００ｋΩの高インピーダンス素子を実現できる。このように、非常に小さい面積で高い抵抗成分を有する高インピーダンス素子９１〜９４をチップ２Ｂ上に作製することが可能である。

このように、ＳＳＰＤチップ２上にＳＳＰＤ２１〜２４を作製するプロセスと同じプロセスで高インピーダンス素子９１〜９４を作製することが可能となるため、製造コストおよび製造工程数を削減することができる。

また、第１実施形態における抵抗素子８１〜８４を設ける代わりに高インピーダンス素子９１〜９４が可変抵抗として構成されている。

ＳＳＰＤ２１〜２４は、第１実施形態において説明したとおりナノワイヤ（超伝導ナノワイヤ検出素子７）によって形成されている。ナノワイヤを形成する際、当該ナノワイヤの最適な電流バイアス値は、製造プロセスにおける歩留りなどによって誤差が生じる。したがって、ＳＳＰＤ２１〜２４に供給するバイアス電流は、ＳＳＰＤ２１〜２４ごとに異なる値に設定する可能性が出てくる。そこで、１つの電流源７０で異なるバイアス電流を設定可能とすべく高インピーダンス素子９１〜９４が可変抵抗として構成されている。また、この場合の高インピーダンス素子９１〜９４のインピーダンスは、自身のインピーダンスでバイアス電流を設定する必要があるため、第１実施形態における高インピーダンス素子９１〜９４より高いインピーダンスを有することが好ましい。例えば、ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒが５０Ωの場合、高インピーダンス素子９１〜９４は、１００ｋΩ程度を基準とするインピーダンスを有していることが好ましい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図４は本発明の第３実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。本実施形態において第２実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の超伝導単一光子検出システム１Ｃが第２実施形態の超伝導単一光子検出システム１Ｂと異なる点は、図４に示すように、ＳＳＰＤアレイ２０、ＳＦＱ回路３０および高インピーダンス素子９１〜９４が１つのチップ２Ｃ上に設けられていることである。このため、ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０の変換器３１〜３４との間は、チップ２Ｃ上に形成された同軸線路２４１〜２４４のみで接続される。これにより、超伝導単一光子検出システム１Ｃ全体が１つのチップ２Ｃ上に形成されるとともに、ＳＳＰＤ２１〜２４とＳＦＱ回路３０との間の同軸ケーブルが不要となるため、製造プロセスを効率化、簡略化することができる。また、超伝導単一光子検出システム自体をより小型化することもできる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図５は本発明の第４実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。本実施形態において第３実施形態と同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。本実施形態の超伝導単一光子検出システム１Ｄが第３実施形態の超伝導単一光子検出システム１Ｃと異なる点は、図５に示すように、高インピーダンス素子６１〜６４（第１実施形態と同様の構成であるためそれと同じ符号を付している）とは別にバイアス電流を設定するための可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄが設けられていることである。すなわち、高インピーダンス素子６１〜６４は、第１実施形態と同様に５ｋΩ程度のインピーダンスを有し、可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄは、１００ｋΩ程度を基準とするインピーダンスを有している。

さらに、本実施形態において、可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄは、冷凍機５内に設けられている。また、ＳＳＰＤアレイ２０、ＳＦＱ回路３０および高インピーダンス素子６１〜６４は、１つのチップ２Ｄ上に設けられ、可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄは、当該チップ２Ｄとは別に設けられている。

本実施形態の構成によれば、高インピーダンス素子６１〜６４は、第１実施形態と同様に５ｋΩ程度の比較的低いインピーダンスを有する素子としてＳＳＰＤアレイ２０および／またはＳＦＱ回路３０と同じチップ２Ｄ上に形成した上で、バイアス電流を設定するための比較的高いインピーダンスを有する可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄについては別のチップまたは別の回路構成として設けることができ、チップ２Ｄの微細化をより容易に実現することができる。本実施形態においても、１つの電流源７０から複数のＳＳＰＤ２１〜２４に対応するバイアス電流を生成するために、抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄを可変抵抗とすることにより、各ＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子７の最適電流値を適切に設定することができる。

なお、本実施形態においては、可変抵抗素子９１Ｄ〜９４Ｄを冷凍機５内に設けることとしたが、冷凍機５外に設けることとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、複数の上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせることとしてもよい。具体的には、第１実施形態、第３実施形態および第４実施形態における高インピーダンス素子を第２実施形態におけるナノワイヤによる高インピーダンス素子を用いて構成することとしてもよい。一方、第２実施形態における高インピーダンス素子を一般的な金属薄膜による抵抗素子またはインダクタとして構成してもよい。

また、上記実施形態においては、４つのＳＳＰＤ２１〜２４が１つのチップに形成されたＳＳＰＤアレイ２０に基づいて説明したが、ＳＳＰＤが１つ以上設けられる構成である限り、本発明はこれに限られない。また、複数のＳＳＰＤを有する場合、当該複数のＳＳＰＤが複数のチップ上に形成されてもよい。ＳＦＱ回路３０の構成は、上記実施形態において説明した構成に限定されず、本発明の超伝導単一光子検出システムが適用される装置またはシステム等に応じて種々の改良、変更、修正が行われた構成が適用可能である。

本発明に係る超伝導単一光子検出システムを作製し、このシステムにおける光子検出効率、暗計数およびタイミングジッタの性能評価を行った。本実施例においては、第１実施形態と同様の構成で２つのＳＳＰＤを用いた。なお、本実施例においては、２つのＳＳＰＤを含むＳＳＰＤアレイとはせずに、単に２つのＳＳＰＤを実装し、２つのＳＳＰＤを同時に動作させた。性能評価の方法としては、ＳＳＰＤの出力から光子検出効率、暗計数およびジッタを測定する一方、ＳＳＰＤに同軸ケーブルを介して接続されたＳＦＱ回路の出力から光子検出効率、暗計数およびジッタを測定し、両者を比較した。これにより、ＳＳＰＤのみの出力に対して、ＳＦＱ回路の出力の各指標が劣化していないかどうかを検証した。

図６は本発明の実施例における光子検出効率および暗計数のＳＳＰＤバイアス電流に対する変化についての測定結果を示すグラフである。また、図７は本発明の実施例におけるジッタについての測定結果を示すグラフである。図６に示すように、本実施例におけるＳＦＱ回路の出力における光子検出効率および暗計数は、ＳＳＰＤのみの出力に対してほとんど特性変化を生じていない。このことにより、本実施例におけるＳＳＰＤ−ＳＦＱ回路間の接続方法によって信号劣化が生じることなく信号処理が有効に実行できることが分かる。

また、図７に示すように、ＳＳＰＤのみでジッタを測定した結果、半値幅が４０ｐｓ程度となった。これに対し、ＳＦＱ回路の出力におけるジッタは、半値幅が５０ｐｓ程度となった。このように、ＳＳＰＤのみの出力に比べてジッタの増大が若干見られるものの、１０ｐｓ程度の増大に抑えられており、十分実用可能なジッタの値が得られた。

本発明の超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法は、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い光子検出精度を得るために有用である。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 超伝導単一光子検出システム
２，２Ｂ ＳＳＰＤチップ
２Ｃ，２Ｄ チップ
３ ＳＦＱチップ
４ フォトン源
５ 冷凍機
６，７０〜７４ 電流源
７ 超伝導ナノワイヤ検出素子
８ カウンタ
９ リングオシレータ
２０ ＳＳＰＤアレイ
２１ ＳＳＰＤ（超伝導単一光子検出器）
３０ ＳＦＱ回路（超伝導単一磁束量子回路）
３１ 変換器
３５ 出力変換回路
３６ ＳＱＵＩＤドライバ
３７，４１〜４４ 同軸ケーブル（交流信号伝送経路）
５０〜５４ バイアス電流経路
６１〜６４，９１〜９４ 高インピーダンス素子
８１〜８４ 抵抗素子
９１Ｄ〜９４Ｄ 可変抵抗素子
２４１〜２４４ ＳＳＰＤ同軸線路（交流信号伝送経路）
３４１〜３４４ ＳＦＱ同軸線路（交流信号伝送経路）
Ｊ１〜Ｊ５ ジョセフソン接合
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３〜Ｌ５ コイル
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗素子
Ｒｒ 負荷抵抗素子

Claims (6)

1. バイアス電流によって動作する超伝導単一光子検出器と、
   前記超伝導単一光子検出器から出力される検出信号を負荷抵抗素子を有する変換器を用いて単一磁束量子信号に変換し、演算処理を行う超伝導単一磁束量子回路と、を備え、
   前記超伝導単一光子検出器と前記超伝導単一磁束量子回路との間は交流信号伝送経路によって接続され、
   前記超伝導単一光子検出器に前記バイアス電流を供給するバイアス電流経路は、前記交流信号伝送経路に高インピーダンス素子を介して接続され、
   前記高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが前記超伝導単一磁束量子回路の前記負荷抵抗素子のインピーダンスより高い、超伝導単一光子検出システム。
2. 前記超伝導単一光子検出器、前記超伝導単一磁束量子回路、前記交流信号伝送経路および前記高インピーダンス素子は、冷凍機内に実装される、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。
3. 複数の前記超伝導単一光子検出器と、
   前記複数の超伝導単一光子検出器に対応して設けられた複数の前記超伝導単一磁束量子回路および複数の前記交流信号伝送経路と、
   前記複数の交流信号伝送経路に対応して設けられた複数の前記高インピーダンス素子とを備えた、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。
4. 前記バイアス電流経路は、１つの電流源から前記複数の高インピーダンス素子へ前記バイアス電流を供給するよう構成されている、請求項３に記載の超伝導単一光子検出システム。
5. 前記超伝導単一光子検出器は、単一光子を検出する超伝導ナノワイヤ検出素子を備え、
   前記高インピーダンス素子は、前記超伝導ナノワイヤ検出素子より線幅の細いナノワイヤで構成されている、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。
6. バイアス電流経路を通じて超伝導単一光子検出器にバイアス電流を供給することにより、単一光子を検出する検出ステップと、
   検出された単一光子を検出信号として出力し、交流信号伝送経路を通じて超伝導単一磁束量子回路に伝達し、負荷抵抗素子を有する変換器を用いて単一磁束量子信号に変換した後、演算処理を行う処理ステップと、を含み、
   前記バイアス電流は、前記交流信号伝送経路に接続された高インピーダンス素子を介して接続されたバイアス電流経路を通じて前記超伝導単一光子検出器に供給され、
   前記高インピーダンス素子は、高周波におけるインピーダンスが前記超伝導単一磁束量子回路の前記負荷抵抗素子のインピーダンスより高い、超伝導単一光子検出方法。
   

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