JP2014215293A - 光子検出器及び光子検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一光子を検出するシステムであって、誤りカウントを低減した検出システムを提供する。
【解決手段】受信状態にある間隔中に光子を検出し、光子が受信されたときに信号を出力するように構成される光子検出器１７と、前記受信状態と非受信状態との間で前記検出器を切り替える時変ゲート信号を生成するように構成され、光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を受信し処理するように構成され、前記光子検出器１７が、光子が予測される間隔中に前記受信状態にあり、さらに、前記光子が予測される前記間隔の間の追加間隔中にも受信状態にあるように、前記ゲート信号を生成するように構成されるコントローラと、前記光子検出器１７からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応するものか前記追加間隔に対応するものかを識別するように構成される検出モジュールと、を具備する光子検出システム。
【選択図】図３ａ

Description

優先権の主張

本出願は、２０１３年４月２６日に出願された英国特許出願第１３０７５８４．１号の優先権の利益に基づいており、この優先権の利益を主張する。この英国特許出願の全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

ここに記述される実施形態は、一般に、光子検出器及び光子検出方法の分野に関する。

単一光子を検出することができる光子検出器が多くの用途で必要とされている。単一光子検出器は、情報が単一光子などの単一量子の形態で送信器と受信器の間で送信される量子通信システムで使用される。量子通信の一例は、二者間での暗号鍵の共有に帰着する量子鍵分配（ＱＫＤ）である。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、ブレークダウン電圧を超えてバイアスされるときに、単一光子を検出することができる。入射光子は、吸収され、電子正孔対を生成し、それはＡＰＤ内で電場によって分離される。高電場によって、電子又は正孔は、検出可能な電流フローを生じる過剰キャリアの雪崩を引き起こし得る。

光子カウントの後に、検出器は、後のゲート中に他のカウントを記録する増大した確率を示すことができる。これらのカウントはアフタパルスと呼ばれる。ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードなどのいくつかの検出装置は、雪崩に付随する欠陥によって捕獲された荷電キャリアによりアフタパルスを生成する高い確率を有する。これらの捕獲されたキャリアは、後の検出ゲートにおいて、アフタパルスとして知られる望まれないカウントをもたらす他の雪崩を引き起こすことがある。これらのアフタパルスカウントは総検出率に寄与し、これはＱＫＤなどの適用において非常に高い誤りカウントをもたらし得る。

以下、次の図面を参照して実施形態を説明する。

図１ａは、ゲート光子検出器に入射する光信号の周波数が検出器ゲート周波数と同じである場合におけるゲート光子検出器の光子検出確率を示す。 図１ｂは、ゲート光子検出器に入射する光信号の周波数が検出器ゲート周波数と同じであり且つ光子検出器がより長いゲート時間で動作する場合におけるゲート光子検出器の光子検出確率を示す。 図２は、実施形態に従う光子検出システムの光子検出確率を示す。 図３ａは、実施形態に従う光子検出システムであって、ゲート光子検出器、識別器及びアフタパルス分離モジュールを備える光子検出システムを含む量子通信システムの概略図である。 図３ｂは、実施形態に従う光子検出システムであって、アフタパルス分離が識別器の前段に実装される光子検出システムを含む量子通信システムの概略図である。 図３ｃは、実施形態に係る光子検出システムを含む量子通信システムであって、マスタークロックを備える量子通信システムの概略図である。 図４ａは、照射ゲートに生じるイベントを非照明ゲートに生じるイベントと識別するＡＮＤゲートの概略図である。 図４ｂは、分離が高速スイッチで実行されるアフタパルス分離モジュールの概略図である。 図５は、実施形態に従う、自己差動回路を含む光子検出システムの概略図である。 図６は、実施形態に従う光子検出システムを含む量子通信システムの概略図である。

一実施形態によれば、受信状態にある間隔中に光子を検出し、光子が受信されたときに信号を出力するように構成される光子検出器と、前記受信状態と非受信状態との間で前記検出器を切り替える時変ゲート信号を生成するように構成され、光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を受信し処理するように構成され、前記光子検出器が、光子が予測される間隔中に前記受信状態にあり、さらに、前記光子が予測される前記間隔の間の追加間隔中にも受信状態にあるように、前記ゲート信号を生成するように構成されるコントローラと、前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応するものか前記追加間隔に対応するものかを識別するように構成される検出モジュールと、を具備する光子検出システムが提供される。

受信状態は、高感度状態であり、「オン」状態と考えることができる。非受信状態は、低感度状態であり、「オフ」状態と考えることができる。実施形態では、受信状態では、光子検出器の感度は非受信状態中のものより１００倍高い。さらなる実施形態では、受信状態では、光子検出器の感度は非受信状態中のものより１０００倍高い。一実施形態では、ＡＰＤの受信状態は、ＡＰＤの任意の部分がブレークダウンを超えてバイアスされた状態である。

一実施形態では、ゲート信号は半波対称性を有する信号である。それは正弦波又は方形波信号であってもよい。一実施形態では、ゲート信号の周波数は少なくとも１０ＭＨｚである。さらなる実施形態では、ゲート信号の周波数は１００ＭＨｚより高い。一実施形態では、ゲート信号の周波数は、光子が検出器に到着すると予測される周波数の整数倍である。

一実施形態では、検出モジュールは、入力信号が電圧閾値を超える場合に電気的パルスを出力するように構成される識別器を備える。

一実施形態では、検出モジュールは、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、パルスを出力するように構成される。一実施形態では、検出モジュールは、第１の出力及び第２の出力を含む。さらなる実施形態では、それは、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、第１の出力からパルスを出力するように構成され、光子検出器からの出力信号が、追加間隔に対応する場合に、第２の出力からパルスを出力するようにさらに構成される。さらなる実施形態では、それは、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、第１の出力からパルスを出力するように構成され、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔に対応しない場合に、第２の出力からパルスを出力するようにさらに構成される。

一実施形態では、光子検出器はアバランシェフォトダイオードに基づいている。それは、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、又は窒化ガリウムに基づいたＡＰＤであってもよい。一実施形態では、ＡＰＤは単一光子検出のために最適化される。一実施形態では、ＡＰＤはガイガーモード動作のために最適化される。一実施形態では、ＡＰＤの単一光子検出効率は１０％より高い。一実施形態では、ＡＰＤのブレークダウン電圧は摂氏２０度で１００Ｖよりも低い。

一実施形態では、光子検出システムは、アバランシェフォトダイオードを逆バイアスする（reverse bias）ように構成されるバイアス回路をさらに具備し、このバイアス回路は、ＤＣ電圧バイアス供給と、ＡＣ電圧バイアス供給と、を備える。一実施形態では、ＡＣ電圧バイアス供給は、半波対称性を有するＡＣ電圧信号を出力することができる。ＡＣ電圧バイアス供給は、方形波又は正弦波状のＡＣ電圧を出力するように構成されてもよい。一実施形態では、ＡＣ電圧信号は１ボルトより大きい振幅を有する。さらなる実施形態では、ＡＣ電圧信号は４〜１２Ｖの範囲の振幅を有する。一実施形態では、ＡＰＤバイアス電圧は、各ゲート周期中において、最高値ではＡＰＤブレークダウン電圧を超え、最低値ではＡＰＤブレークダウン電圧未満である。

一実施形態では、光子検出システムは、信号を第１部分及び第２部分に分割するように構成される信号分割器であって、第１部分は第２部分と実質的に同一である、信号分割器を具備し、ゲート信号の周期の整数倍だけ第１部分に対して第２部分を遅延させるように構成される遅延手段をさらに具備し、遅延された第２部分が第１部分中の周期的変動を除去するために使用されるように、信号の第１部分と遅延された第２部分を結合するように構成される結合器をさらに具備する。

上述したタイプの光子検出システムは、少なくとも２つの基底から選択される基底を使用して符号化される光パルスを受信するように構成される、量子通信システムのための受信器であって、パルスを符号化するために使用される可能性のある基底から選択される基底で測定を実行するように構成される復号器を具備する受信器に設けられる。上述したタイプの光子検出システムは、復号器の出力を受信するように構成される。

上述したタイプの受信器は、少なくとも２つの基底から選択される基底を使用して符号化される光パルスを送信するように構成される送信ユニットと、送信ユニットと受信器との間で、光子が検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を通信するように構成される通信チャネルと、を具備する量子通信システムに設けられる。

一実施形態によれば、光子検出の方法であって、受信状態にあるときに光子を検出し、光子が受信されたときに信号を出力するように構成される光子検出器を用意することと、光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を受信し処理することと、前記光子検出器が、光子が予測される間隔中に前記受信状態にあり、さらに、前記光子が予測される前記間隔の間の追加間隔中にも前記受信状態にあるように、時変ゲート信号を生成し該時変ゲート信号を前記光子検出器に適用することと、前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応するものか前記追加間隔に対応するものかを識別することと、を具備する方法が提供される。

一実施形態では、光子検出の方法は、光子検出器からの信号を識別する或いは光子検出モジュールからの信号を識別する方法を含み、それは入力信号が電圧閾値を超える場合に電気的パルスを出力することを含む。

一実施形態では、識別する方法は、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、パルスを出力することを含む。さらなる実施形態では、それは、光子検出器からの出力信号が、追加間隔に対応する場合に、第２の出力からパルスを出力することを含む。

一実施形態では、光子検出方法は、光子検出器の出力信号を第１部分及び第２部分に分割することを含み、ここで第１部分は第２部分と実質的に同一であり、第１部分に対して第２部分を遅延させることと、遅延された第２部分が第１部分中の周期的変動を除去するために使用されるように、信号の第１部分と遅延された第２部分を結合することと、をさらに具備する。

図１ａ（ｉ）は、ゲート光子検出器（gated photon detector）に入射する反復光信号１を示す。これらの図において、ｘ軸変数は時間である。光信号１は、規則的に時間が決められた（regularly timed）光パルスからなる。反復率は光信号周波数である。検出器は、ゲート周波数（gating frequency）で受信状態と非受信状態との間で周期的に切り替えられる。検出器が受信状態にある時間間隔は検出ゲートと呼ばれる。ＡＰＤに基づいた検出器においては、ＡＰＤは、受信状態へ切り替えられたときにはブレークダウン電圧を超えてバイアスされ（biased）、非受信状態へ切り替えられたときにはブレークダウン電圧未満でバイアスされる。ブレークダウンを超えるＡＰＤの動作はガイガーモードと呼ばれる。ＡＰＤは、ブレークダウン未満で動作されることもできるが、それほど感度は高くない。

図１ａ（ｉｉ）は、検出器ゲートタイミングを示す。ゲートは、検出器が受信状態にある時間間隔である。これらのゲートは、図１ａ（ｉ）の光パルスが各検出器ゲートと一致するように、規則的に繰り返される。検出器は、ゼロでないアフタパルス確率を有する任意のゲート光子検出器であり得る。ここに示される光子検出器は、検出器のゲート周波数と同一の検出周波数で動作する。ゲート光子検出器への反復光信号１の入射の周波数、すなわち、光信号周波数は、この場合、検出器のゲート周波数と同じである。

信号がゲート中に受信されるとカウントが生じ、それは、検出された光子、ダークカウント（dark count）、又はアフタパルス（afterpulse）を示す。言い換えると、検出器が電気的信号を出力する場合、それは、検出された光子、ダークカウント、又はアフタパルスのいずれかが生じたことを示す。光子が検出器に入射しなかったとしても、それは、熱的効果によってカウントを記録する（register）ことがある。これらのカウントはダークカウントと呼ばれる。光子カウントの後に、いくつかの検出器は、後のゲート中に他のカウントを記録するさらなる確率を示す。これらのカウントはアフタパルスと呼ばれる。アフタパルスはダークカウント又はアフタパルスの後に生じることができる。しかしながら、ここでは、アフタパルス確率は、検出された光子の数のみと相対的に定義され、すなわち、アフタパルス確率は、アフタパルスの数を光子カウントの数で割ったものに等しい。それらは、荷電キャリアが雪崩に付随する欠陥によって捕獲されて、これらの電荷がその後のゲートの１つにおいて解放され得るアバランシェフォトダイオードにおいて、特に顕著である。アフタパルスは、光電子増倍管中で残留ガスをイオン化する加速電子又はダイノードでの電子の後方散乱などの様々なプロセスにより、光電子増倍管に基づいた検出器でも生じる。

図１ａ（ｉｉｉ）は、検出ゲート中のカウントの確率を示し、それは、３つの要素、すなわち、検出器効率及び入射光子信号の強度に依存する光子検出確率３、検出器に入射する光子なしにカウントを測定する確率に対応するダークカウント確率４、及びアフタパルス確率５からなる。アフタパルス確率５は、光子が前の検出ゲートのうちの１つにおいて検出された場合にアフタパルシング（afterpulsing）により余分なカウントを測定する確率である。

アフタパルス確率５は、検出ゲートの長さに依存する。検出器のゲート時間が長いほど、捕獲されたキャリアの解放がアフタパルスカウントをもたらす可能性は高くなる。捕獲されたキャリアは、時間とともに減少する確率で熱励起により雪崩後の任意の時間に解放される（released）。したがって、キャリアは、検出器が受信状態にあるときにも非受信状態にあるときにも解放され得る。検出器が受信状態にあるときにキャリアが解放された場合、それはアフタパルスをもたらすことができる。検出器が非受信状態にある間隔の長さに対する検出器が受信状態にある間隔の長さの比が高いほど、より多くの解放されたキャリアがアフタパルスをもたらす。より長いゲート時間、すなわち、検出器が受信状態にあるより長い時間は、より高い雪崩電流を引き起こすこともでき、それは、検出器内により多くの捕獲されたキャリアを次々にもたらし、それによってより多くのアフタパルスカウントをもたらす。

図１ａに示される場合では、アフタパルス確率５は、短い検出ゲートを使用することによって低減される。検出器は、短い時間受信状態に切り替えられ、その後、より長い時間非受信状態に維持される。

これは、ＡＰＤの駆動信号又はゲート信号で直接に実施することができる。検出器は、受信状態と非受信状態との間で切り替えられ、ここでは、ゲート信号は、検出器がより長い時間非受信状態にあるようにするものである。これによって、検出器が、受信状態にあるときよりも長い間隔の間、非受信状態にあることを意味することが理解される。言い換えると、ゲート長はゲート間の時間の長さより短い。ゲート長は、ナノセカンドのオーダー、例えば、１ｎｓであり得る。ゲート間の時間は、１００ｎｓから１μｓのオーダーであり得る。

図１ｂ（ｉ）は、ゲート光子検出器に入射する反復光信号１を示す。この場合における反復光信号の周波数は、図１ａ（ｉ）のものと同じである。

図１ｂ（ｉｉ）は、検出器ゲートタイミングを示す。ここでも、光子検出器は、図１ｂ（ｉ）の光パルスが各検出器ゲートと一致するように、周期的なゲート信号で動作する。しかしながら、この場合では、検出器が受信状態１１０にある間隔が、検出器が非受信状態にある間隔と同じ時間の長さになるように、検出器は受信状態１１０と非受信状態の間で切り替えられる。言い換えると、検出ゲートの長さは、検出ゲート間の間隔の長さと同じである。この場合における検出器は、図１ａ（ｉｉｉ）に示される場合よりも長い時間間隔の間、受信状態１１０にある。

図１ｂ（ｉｉｉ）は、検出ゲート中のカウントの確率を示し、それは、３つの要素、すなわち、検出器効率及び入射光子信号の強度に依存する光子検出確率１１１、検出器に入射する光子なしにカウントを測定する確率に対応するダークカウント確率１１２、及びアフタパルス確率１１３からなる。

アフタパルス確率１１３は検出ゲートの長さに依存し、さらに、この場合における検出ゲートの長さは図１ａ（ｉｉ）に示される場合における検出ゲートの長さより長いので、捕獲されたキャリアの解放がアフタパルスカウントを引き起こす可能性がより高い。したがって、アフタパルス確率１１３はアフタパルス確率５より大きい。より長いゲート時間はまた、検出器内により多くの捕獲されたキャリアを次々にもたらし、それによってより多くのアフタパルスカウントをもたらすより高い雪崩電流を引き起こすことができる。熱励起がカウントをもたらす可能性がより高いので、ダークカウント確率１１２は同様にダークカウント確率４より大きくなるだろう。

ゲート周波数が光信号周波数と同じである場合におけるゲートの長さがゲート間の時間間隔の長さと同じであるゲート信号の使用は、検出器が自己差動（self-differencing）又は正弦波ゲート技術でうまく動作すること、及び多数のアフタパルスカウントがあり得ることを意味する。

図２（ｉ）は、ゲート光子検出器に入射する反復光信号１を示す。これらの図において、ｘ軸変数は時間である。光信号１は規則的に時間が決められた光パルスからなる。ゲート光子検出器は、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、又は窒化ガリウムで形成されたアバランシェフォトダイオードに基づいたゲート検出器、光電子増倍管に基づいたゲート検出器、パッシブクエンチング（passive quenching）、アクティブクエンチング（active quenching）、自己差動技術、又は正弦波ゲート技術に基づいたゲート検出器であることができるが、これらに限定されない。自己差動技術及び正弦波ゲート技術は、本出願において後にさらに説明される。

図２（ｉｉ）は、検出器ゲートタイミングを示す。ゲートは検出器が受信状態にある時間間隔である。ゲートは規則的に時間が決められ、検出器ゲート周波数は図１ａ（ｉｉ）のものと比較して増大されている。２つの光信号パルスの中間に、１以上のエキストラ検出ゲート６がある。言い換えると、検出器は、図２（ｉ）の光パルスが各検出器ゲートと一致しないが、ゲートの一部とだけ一致するように、周期的ゲート信号で動作する。図２（ｉｉ）に示される検出器ゲートタイミングは、検出器ゲート２が図２（ｉ）の光パルスの時間と一致し且つ光パルス間に１つの追加検出ゲート６がさらにあるようなものである。この図のゲート周波数は、光子が検出器に到着すると予測される周波数の２倍である。ゲート周波数は、光子が検出器に到着すると予測される周波数の整数倍であってもよく、光子が検出器に到着すると予測される周波数の少なくとも２倍であってもよい。この場合、検出器は、検出器が受信状態にある間隔又はゲートが、検出器が非受信状態にあるゲート間の間隔と同じ時間の長さであるように、受信状態又はゲートと非受信状態との間で切り替えられる。言い換えると、検出ゲートの長さは、検出ゲート間の時間間隔の長さと同じである。この場合における検出器は、図１ｂ（ｉｉ）の場合より短い時間間隔の間、受信状態にあるが、ゲート周波数は増大される。

検出器が受信状態にあるときには、検出器は、非受信状態にあるときにより光子を検出しやすい。受信状態は「オン」状態と考えることができ、非受信状態は「オフ」状態と考えることができる。受信状態は高感度状態であり、非受信状態は低感度状態である。受信状態では、光子検出器の感度は非受信状態中のものより１００倍高いことができ、或いは、非受信状態中のものより１０００倍高いことができる。感度は、「オン」時間又はゲート中に（それが受信状態にあるときに）最大値まで急激に増大し、その後にまた急激に低減する。感度は、使用される駆動信号、例えば、正弦波又は方形波に依存し得る。

ＡＰＤに基づいた検出器においては、ＡＰＤは、受信状態に切り替えられたときにはブレークダウン電圧を超えてバイアスされ、非受信状態に切り替えられたときにはブレークダウン電圧未満でバイアスされることができる。ＡＰＤの受信状態は、ＡＰＤの任意の部分がブレークダウンを超えてバイアスされている状態であり得る。ブレークダウンを超えるＡＰＤの動作はガイガーモードと呼ばれる。ＡＰＤはブレークダウン未満で動作されることもできるが、それほど感度は高くない。

ゲート信号が方形波である場合、ＡＰＤは、受信状態又は「オン」状態にある検出ゲート中にブレークダウン電圧より高い一定のバイアス電圧を有し、非受信状態又は「オフ」状態に切り替えられるときにブレークダウン電圧より低い一定のバイアス電圧に切り替えられる。ＡＰＤがブレークダウン電圧を超えてバイアスされるときは、ＡＰＤは、ガイガーモードで動作し、単一光子検出が可能である。

ゲート信号が例えば正弦波である場合、バイアス電圧は、それでもやはり検出ゲートにはブレークダウン電圧より高く、ゲート間にはブレークダウン電圧より低いが、バイアス電圧は、ブレークダウン電圧を超える定電圧に保持されない。ＡＰＤがブレークダウン電圧を超えてバイアスされる間隔は、検出器が受信状態にある検出ゲートである。ＡＰＤがブレークダウン電圧未満でバイアスされる、検出ゲート間の間隔は、検出器が非受信状態にある間隔である。

光子が光信号周波数で送信ユニットから放射されるシステムでは、光子が光信号周波数で検出器に到着すると予測される。そのようなシステムでは、マスタークロックユニットが設けられることができる。マスタークロックは受信器又は送信ユニットに設置することができる。それは同期のために送信ユニット又は受信器に送信される。マスタークロックは光子エミッタにクロック信号を提供する。光子エミッタは、クロック信号を受信したときに光パルスを放射するように構成される。クロック信号は定期的なパルスからなる電気的信号であり得る。クロック信号はまた、光子が検出器に到着すると予測される時間を示すことができる。さらに、このクロック信号は、クロック信号の整数倍の周波数を有するゲート信号を生成するために使用されることができ、検出が、光子が検出器に到着すると予測される間隔に対応するかを識別するために使用されてもよい。

いくつかの場合には、クロック信号は、送信後に再生成されることができる。例えば、クロック信号周波数は、送信される前に低減され、受信された後に再生成されてもよい。これらの場合では、光子が検出器に到着すると予測される時間を示す信号は、再生成されたクロック信号であり得る元の周波数を有する信号であることができる。

送信チャネルには信号の損失があることができ、光パルスがクロック信号の周期ごとに実際には到着しないこともある。光子が検出器に到着すると予測される時間を示す信号は、この場合もやはりクロック信号である。一般に、光子が検出器に到着すると予測される時間を示す信号は、検出器ゲートを光パルスの到着と同期するために使用することができる任意の信号を含む。しかしながら、準連続モードでは、検出器ゲートは光信号周波数と同期されない。言い換えると、検出器及び光子源は同期されない。光信号周波数は、それでもやはり光子が検出器に到着すると予測される時間を示すが、検出器は、光信号と同期されないだろう。しかしながら、検出モジュール中の他の要素、例えば、後述されるアフタパルス分離モジュールは、光信号周波数を使用して同期されるだろう。

エキストラゲート６中には、光は検出器に入射しない。これらのゲートは、非照射ゲート（non-illuminated gate）又は追加ゲート（additional gate）又はエキストラゲート（extra gate）又は追加間隔と呼ばれる。これらのゲートは、照射ゲート（illuminated gate）と呼ばれる、光が検出器に入射する初期ゲート（initial gate）２と識別されなければならない。言い換えると、照射ゲートは、光パルスが検出器に入射すると予測される検出ゲートであり、非照射ゲート又は追加ゲートは、光パルスが検出器に入射すると予測されない検出ゲートである。照射ゲートの周波数は、光子が検出器に到着すると予測される周波数及び光子が送信器ユニットにおいて放射される周波数である。

図２（ｉｉｉ）は、検出器のオン時間中にカウントを測定する確率を示す。光子を検出する確率１２４及びダークカウント確率１２２は、追加の非照射ゲートなしでの光子を検出する確率及びダークカウント確率と同様であり得る。しかしながら、異なる周波数の使用は、検出器エレクトロニクスに対して変更を要求することがあり、これらの確率に影響があることもある。アフタパルス７を検出する確率は、使用される光子検出器の特性に依存して変わり得るが、初期のアフタパルス確率５と同様であることができる。エキストラゲートにおけるアフタパルス確率９及びエキストラゲートにおけるダークカウント確率８は、初期ゲート２における確率と同様であり得る。光子はエキストラゲート中に検出器に入射しないので、光子を検出する確率はゼロである。

照射ゲート中に生じるカウント１２２、１２４、７は識別され、非照射ゲート中に生じるカウント８及び９と区別される。非照射ゲートのカウントが破棄される場合、アフタパルスカウントの総数は追加ゲートのないものと同様のレベルに低減される。言い換えると、ゲート周波数が光信号周波数の整数倍である（ゲート周波数＝Ｎ×光信号周波数）場合、（照射される）（１／Ｎ）個のゲートのカウントが取り出され、他のカウントが破棄される。適切な数のエキストラゲートを追加することによって、ゲート信号は、ゲート長がゲート間の時間の長さと同じになるように、検出器を切り替える信号とすることができる。したがって、ゲート信号は半波対称性を持つように作られることができる。適切な数のエキストラゲートは１００から１０００の追加ゲートの範囲であり得る。しかしながら、それは、ほんの１つのエキストラゲートであってもよい。半波対称性を有する信号は、例えば方形波信号又は正弦波信号である。

検出器が半波対称性を有する信号でゲート制御される（gated）場合、それは、非受信状態の時間と近似的に同じ受信状態の時間を有する。すなわち、受信状態の間隔は非受信状態の間隔と同じ時間の長さである。

ＡＰＤの場合においては、バイアス回路に供給されるＡＣ電圧信号は、ＡＰＤが受信状態にある間隔が非受信状態にある間隔と同じ時間の長さであるように、半波対称性を有する信号であり得る。ＡＣ電圧信号は半波対称性を有する方形波であってもよい。半波対称性を有する信号の他の例は、正弦波或いは三角又は鋸歯状信号であるが、さらに、できるだけ効率的に検出器を駆動するために最適化された他の形状であってもよい。

正弦波ゲート又は自己差動技術などの技術は、大抵は有限帯域幅を有する、スプリッタ、フィルタ、又は増幅器などのＡＣ結合要素を必要とする。これらの要素は、上述したような単純な周期的信号で最も良く動作する。正弦波ゲート技術は正弦波信号を必要とする。正弦波信号は、フーリエ変換された場合に理想的にただ１つの周波数成分を有する非常に明確な信号であり、それにより、それは、フィルタを有するＡＰＤの容量性応答（capacitive response）の除去を可能にすることができる。ＡＣ結合要素を必要とする他の技術は、容量性応答を除去するためにＡＰＤの出力と初期ゲート信号の一部をオーバーラップさせることにより働く技術である。

アフターパルシングは、１〜１０ＭＨｚを超えるゲート周波数で問題になる可能性がある。自己差動技術は、１００ＭＨｚのオーダーのゲート周波数で動作する高速用途に特に使用される。

エキストラゲート中のカウント８及び９によって提供される情報は、光子検出器のいくつかの用途には有益であり得る。例えば、追加ゲート中のカウントによって提供される情報は、ＱＫＤのような用途に有用であり得るアフタパルス確率の推定値を決定するために使用されるだろう。光子検出器の特性に依存して、エキストラゲートにより、初期ゲートのアフタパルス確率の低減があり得る。例えば、ＡＰＤにおいては、これは、捕獲されたキャリアを解放する確率が、それがブレークダウン電圧を超えてバイアスされるときに、それがブレークダウン未満でバイアスされるときよりも高い場合である。ＡＰＤに印加されるより高い電圧は、トラップのポテンシャルをわずかに変形し、それ故に、例えばＡＰＤ材料又はブレークダウン電圧などの特性に依存して、それに電荷を解放させやすくする。

光子検出器が、周期的ゲート信号、例えば、半波対称性を有する信号で、さらに、カウントが分離される追加の非照射ゲートを含んで、動作する場合、アフタパルス確率は低減することができ、追加情報は、検出周波数の低減なしにエキストラゲートから得ることができる。検出ゲート間にある追加の非照射ゲートを用いてより短い検出ゲートを使用することは、検出器の異なる特徴、例えば、より弱い雪崩をもたらす。これは、光子検出確率及びダークカウント確率が変わることを意味する。

図２の検出器システムでは、非照射であるエキストラゲート６が検出器のゲート信号に追加され、言い換えると、ゲート周波数が増大され、それは、光子が検出器に到着すると予測される周波数より高くなる。エキストラゲートのダークカウント確率８は、初期ゲート２のダークカウント確率４と同じである。エキストラゲート６に起因する追加のカウントが破棄される場合、初期の照射ゲート２のカウントだけが残る。検出器は、それらエキストラゲートのカウントを初期ゲートのカウントと識別し分離する手段を備える。

図３ａは、一実施形態に従う光子検出システムを備える量子通信システムの概略図を示す。光信号周波数モジュール２１は光子源２４に接続されている。光信号周波数モジュール２１はまた、アフタパルス分離モジュール２０の入力にも接続されている。光信号周波数に関する情報は、送信器及び受信器ユニット間でチャネルに沿って送信されてもよい。光子源２４は、チャネルを介して光子検出器１７に接続されている。光子源２４は単一光子源であってもよい。光子源２４はパルスレーザダイオード及び減衰器であってもよい。減衰器は、１つのパルス当たりの光子の平均数が１よりずっと低くなるように設定されてもよい。光子源２４と光子検出器１７の間のチャネルは、単一光子チャネルであってもよいが、通常は光ファイバである。通常、光子チャネル及び光信号周波数チャネルの両方は、個別のファイバであり得る光ファイバ、束として結合されたファイバ、又は単一ファイバである。

光信号周波数に関する情報が光パルスとして光学チャネルを介して送信される場合、これらのパルスは送信後に電気的パルスに変換されてもよい。その後に、これらの電気的パルスは、アフタパルス分離モジュール２０に供給され、個別セットのパルス整形エレクトロニクスをトリガーするためにトリガーパルスとして使用されることができ、それは光子検出器１７を駆動するためのパルス波形を生成する。すなわち、光信号周波数に関する情報はまた、光信号周波数より高いゲート周波数を生成するために使用されてもよく、光信号周波数の整数倍であるゲート周波数を生成するために使用されてもよい。

検出器がＡＰＤに基づく場合においては、ＡＰＤにゲート信号を提供する、ＤＣ入力及びＡＣ入力を備えたバイアス回路があり得る。ＡＣ入力信号の周波数は、光信号周波数より高くなるように、光信号周波数から生成されることができる。ＡＣ信号の周波数はゲート周波数である。ＡＰＤは単一光子検出のために最適化されることができる。ＤＣ及びＡＣ入力はバイアスティ（bias-T）接合において結合され、ＤＣレベルはＡＰＤのブレークダウン電圧をわずかに下回るレベルに設定される。ＡＣ信号と結合して、レベルは、ブレークダウン電圧の上下で周期的に切り替えられる。周期は、光信号周波数より高くなるように、光信号周波数に基づいて生成されることができる。バイアス回路からの出力はＡＰＤに接続されている。それにより、ＡＰＤバイアス電圧は、各ゲート周期中において、その最高値ではＡＰＤブレークダウン電圧を超え、その最低値ではＡＰＤブレークダウン電圧未満である。ＡＰＤがブレークダウン電圧を超えてバイアスされる場合、それは、非常に高い感度の光子検出及び単一光子検出が可能である。ＡＣ電圧信号は半波対称性を有することができる。ＡＣ電圧信号は１ボルトより大きな振幅を有することができる。ＡＣ電圧信号は、４〜１２Ｖの範囲の振幅を有していてもよい。ＡＣ電圧信号は、方形波又は正弦波の形態であり得る。

光信号周波数は、ゲート周波数モジュール１８に入力されることができる。これに代えて、例えば、準連続モードでは、ゲート周波数は光信号周波数と同期されなくてもよい。しかしながら、光信号と一致しないパルスと光信号と一致するパルスを識別することができるために、光信号周波数はそれでもやはりアフタパルス分離モジュールに入力されるだろう。ゲート周波数は、光子検出器が光信号周波数より高い周波数で駆動されるように、増大されることができる。周波数合成器は、光信号周波数の周波数倍増バージョン（frequency multiplied version）を生成するために使用されることができる。周波数合成器は位相ロックループであってもよい。或いは、ゲート周波数モジュールは、光信号周波数と無関係にゲート周波数を生成してもよい。

ゲート周波数モジュール１８は、光子検出器１７に接続されている。ゲート周波数モジュール１８は、光子検出器１７のゲート周波数を設定する信号を光子検出器１７に提供する。光子検出器１７の出力は識別器１９に接続されている。光子検出器１７は識別器１９に電気的信号を出力する。識別器１９はアフタパルス分離モジュール２０に接続されている。アフタパルス分離モジュール２０は２つの出力２２及び２３を有する。

光子源２４は、光信号周波数２１によって与えられた反復率で動作する。光子源２４からの光は、ｆ_ｇａｔｅのゲート周波数１８で動作されるゲート光子検出器１７に入射する。ゲート周波数は光信号周波数より高い。検出ゲートは光子が検出器に到着すると予測される間隔である。光子が検出器に到着すると予測されない追加間隔であるゲートがさらにある。言い換えると、検出器は、光子源からの光子が検出器に到着すると予測される時間を含む間隔の間、受信状態にある。検出器は、光子が検出器に到着すると予測されない追加間隔の間も受信状態にある。検出器は、これらの間隔の間に非受信状態にある。ゲート信号の典型的な周期は１ｎｓである。方形波信号においては、これは、検出器が０．５ｎｓの間ブレークダウンを超え、０．５ｎｓの間ブレークダウン未満にあることを意味する。検出器が受信状態にある時間と検出器が非受信状態にある時間との比は、ほぼ等しい、すなわち、１：１又は１：３とすることができる。しかしながら、それは１：１００又は１：１０００という大きな比であってもよい。

ゲート光子検出器１７によって生成された電気的信号は識別器１９で識別され、識別器１９は雪崩がゲート中に記録される場合にパルスを生成する。最も単純な形態の識別器は単純な電圧閾値を使用し、それによって、識別器は、光子検出器からの出力が電圧閾値より高い場合にパルスを出力する。定比率識別（constant fraction discrimination）などの識別のより複雑な方法がある。光子検出、アフタパルス又はダークカウントなどの検出イベントが発生した場合に、識別器は、光子検出器からの出力を処理し、電気的パルスを出力することができる。光子検出器が電圧閾値を超えた場合に、それは電気的パルスを出力する。ここでは、カウントは、うまく識別された出力信号を指し、すなわち、パルスが検出器における雪崩に続いて識別器によってパルスが生成された場合である。識別器１９からのパルスはアフタパルス分離モジュール２０へ送られる。アフタパルス分離モジュール２０はまた、光信号周波数２１の入力を有する。アフタパルス分離モジュール２０は、光信号周波数２１と一致するパルスを光信号周波数と一致しないパルスと分離する。アフタパルス分離モジュールは光信号周波数と一致するパルスに関して１つの出力２２に提供し、光信号周波数と一致しないパルスを第２の出力２３に提供することができる。言い換えると、アフタパルス分離モジュールは、光子検出器からの出力信号が、光子が予測される間隔又は周期に対応するかどうかを識別するように構成される。

アフタパルス分離モジュールは、容易に利用可能な要素であるＡＮＤゲートにより実施することができる。一般に、それは、どのパルスが照射ゲートに対応し、どのパルスが対応しないかを識別するように構成される論理要素を含んでもよい。それは、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はマイクロプロセッサ上のソフトウェアにより実施することができる。

アフタパルス分離モジュール２０は２つの入力を有する。１つの入力は、光子が光子検出器１７に到着すると予測される時間を示す光信号周波数を受信する。すなわち、光信号周波数に関連する情報は、アフタパルス分離モジュールに入力され、照射ゲートの時間を示す。

光子源２４が光信号周波数モジュール２１からパルスを受け取ると、それは、光子検出器１７に送信される光パルスを放射する。光信号周波数モジュール２１からのパルスは、アフタパルス分離モジュール２０へも送信される。いくつかのシステムでは、光信号周波数モジュールからのパルスの周波数は、送信前に低減され得る。そのようなシステムでは、光信号周波数パルスの送信前に、信号分割器は、あるプリセットされた分割周波数に周波数を分割する。送信後に、それはオリジナルの周波数に再生成される。アフタパルス分離モジュール２０は、再生成された信号であり得るオリジナルの光信号周波数を有するパルスを受け取り、光子検出器の出力が光信号周波数パルスに一致するかどうかを識別する。

図３ｂは、検出器からの出力が識別されるよりも前にアフタパルス分離２５が実装される他の実施形態を示す。このシステムでは、光子検出器１７は、アフタパルス分離ユニット２５に接続されている。光子検出器１７の出力はアフタパルス分離ユニット２５へ入力される。光子検出器１７から出力されたパルスが光信号周波数を示すパルスと一致する場合、アフタパルス分離ユニット２５は識別器２６にパルスを出力する。光子検出器からのパルスが光信号周波数のパルスに対応しない場合、それは識別器２７にパルスを出力する。この実施形態のアフタパルス分離モジュールは、タイミング情報に基づいて、すなわち、それが照射ゲート又は非照射ゲートのいずれにおいて検出されたかに基づいて、一方の識別器又は他方の識別器のいずれかに出力信号を送信するスイッチである。この実施形態の出力は、図３ａにおけるものと同じである。

図３ｃは、マスタークロック１２０を備える実施形態を示す。マスタークロック１２０は送信ユニット又は受信ユニットに含まれることができる。マスタークロックは光信号周波数モジュール２１に接続されている。マスタークロック１２０は、光子源２４に接続されている光信号周波数モジュール２１にクロック信号を提供する。マスタークロック１２０は、ゲート周波数モジュール１８にも接続されており、ゲート信号を生成するために使用されるクロック信号を提供する。マスタークロック１２０は、アフタパルス分離モジュール２０にも接続されており、光子が光子検出器１７に到着すると予測される時間に関連する情報を含む信号であるクロック信号をアフタパルス分離モジュール２０に提供する。マスタークロックが各要素に提供するクロック信号は、同じ周波数であって同じクロック信号であってもよく、異なる周波数を有していてもよい
マスタークロック信号は、光子が光子検出器１７に到着すると予測されるときに、さらに、光子が到着すると予測されない追加間隔においても検出ゲートが生じるように、光子源２４及び光子検出器１７を同期させるために使用される。ゲート周波数モジュール１８はマスタークロック信号から増大した周波数信号を生成するように構成されていてもよい。或いは、ゲート周波数モジュール１８に提供されるマスタークロック信号は、光信号周波数モジュール２１に提供されるクロック信号と比較して増大した周波数を有していてもよい。アフタパルス分離モジュール２０が、光子が検出器に到着すると予測されるゲートに対応するカウントを、光子が検出器に到着すると予測されないゲートに対応するカウントと識別することができるように、マスタークロック信号はまたアフタパルス分離モジュール２０を同期させる。

光子源２４はチャネルを介して光子検出器１７に接続されている。このチャネルは、例えば、マスタークロック１２０をゲート周波数モジュール１８及びアフタパルス分離モジュール２０に接続する同じチャネルであってもよく、マスタークロック１２０を光信号周波数モジュール２１に接続する同じチャネルであってもよい。光子源２４は、光信号周波数モジュール２１からパルスを受信するときに、光パルスを放射する。光子検出器１７は、検出又はダークカウント又はアフタパルスに応答して電気的信号を出力する。光子検出器は、例えば光子検出器の出力が閾値電圧を超える場合にパルスを出力する識別器１９に接続されている。識別器はアフタパルス分離モジュール２０に接続されている。アフタパルス分離モジュールは、識別器からのカウントが、光パルスが予測されるゲートに対応するか、光パルスが光子検出器に予測されないゲートに対応するかを識別する。例えば、電気的信号は、前者の場合に出力２２から出力され、後者の場合には出力２３から出力される。

図４ａは、ＡＮＤゲート３８であるアフタパルス分離モジュールの概略図である。ＡＮＤゲートは、単一出力を備えたアフタパルス分離モジュールを構築する最も単純な方法のうちの１つである。ＡＮＤゲート３８はハードウェアベース又はソフトウェアベースのものであってもよい。ＡＮＤゲートへの一方の入力３６は、光子検出器のゲート中のカウントに由来するパルスである。もう一方の入力３７は、光信号反復率ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}と等しい反復率の周期的パルス列である。両方が「高（high）」である場合にのみ、ＡＮＤゲート３９の出力にパルスが生成され、それによって、非照射ゲート中のカウントと照射ゲート中に生じたカウントを分離することが可能になる。言い換えると、入力３６及び３７の両方に同時のパルスがある場合のみ、出力３９に生成されたパルスがある。エキストラゲート中の分離されたアフタパルスカウントはすべて、ここに示される例では破棄される。

図４ｂは、照射ゲートに由来するか非照射ゲートに由来するかに応じてパルスを２つの出力の一方に送る高速スイッチ４０で分離が実行されるアフタパルス分離モジュールの概略図である。一方の入力３６は、光子検出器のゲート中のカウントに由来するパルスである。他方の入力３７は、光信号反復率ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}と等しい反復率の周期的パルス列である。両方が「高」である場合、パルスは出力３９に切り替えられる。入力３６からのパルスが入力３７からのパルスに一致しない場合、パルスは出力４１に切り替えられる。それにより、照射ゲート中に生じたカウントは、非照射ゲート中のカウントと分離される。言い換えると、入力３６及び３７の両方に同時のパルスがある場合にのみ、出力３９にパルスがある。入力３７のパルスと同時でない入力３６のパルスがある場合、出力４１にパルスがある。

図５は、自己差動回路を備える、本実施形態に係る光子検出システムの概略図を示す。バイアス回路５４は、ＤＣ入力４３及びＡＣ入力４２を含む。ＡＣ入力４２はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）４５にゲート信号を提供する。アバランシェフォトダイオード４５はＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づくものであってもよい。ゲート信号は、光子源の反復率より高く、光子源の反復率の整数倍であり得る周波数を有してもよい。周波数は１０ＭＨｚ以上であってもよい。周波数は１００ＭＨｚ以上であってもよい。一実施形態では、光子検出器は１００ＭＨｚより高い検出周波数で作動してもよい。

ＤＣ入力４３及びＡＣ入力４２はバイアスティ４４で結合される。ＤＣレベルは、ＡＰＤ４５のブレークダウン電圧をわずかに下回るレベルに設定される。ＡＣ信号と結合することで、レベルは、ブレークダウン電圧の上下に周期的に切り替えられる。バイアス回路５４からの出力はＡＰＤ４５に接続されている。ＡＰＤ４５がブレークダウン電圧を超えてバイアスされる場合、それは、受信状態にあって単一光子を検出することができる。ＡＰＤ４５がブレークダウン電圧を超えてバイアスされる時間間隔はゲートである。光子検出に付随する雪崩は、抵抗器４６を通じた電圧降下をもたらす。この電圧降下は自己差動回路４７に渡される。

自己差動回路４７は信号分割器４８及び信号結合器５１を備える。信号分割器４８及び信号結合器５１は２つのチャネル４９及び５０を介して接続されている。自己差動回路４７は、信号分割器４８において電気的信号を２つの等しい部分に分割する。一方の部分はチャネル４９に沿って送られ、他方の部分はチャネル５０に沿って送られる。出力チャネル４９は、チャネル５０を通過する電気的信号に対して、周期の整数倍によってこのチャネルを通過する電気的信号を遅延させる遅延ループを有する。出力チャネル４９及び出力チャネル５０に沿う電気的信号のうちの一方は反転され、これら電気的信号は信号結合器５１で結合される。その反転は、信号結合器４８又は信号分割器５１で或いは伝達中に生じてもよい。光子は信号ゲート周期すべてで検出されるわけではないので、反転された電気的信号を１周期タイムシフトして電気的信号を結合することによって雪崩ピークにまさに関連する出力が見られる。この出力は識別器５２に渡される。識別器５２の出力はアフタパルス分離モジュール５５に接続されている。識別器５２から出力されたパルスはカウントを示す。アフタパルス分離モジュールの出力は検出器５３の出力に接続されている。

自己差動回路では、抵抗器４６を通じて降下された電圧は、信号分割器４８に入力される。信号分割器４８は、この電気的信号を第１部分、及び第１部分と同一の第２部分に分割する。これらの２つの電気的信号は２つのチャネルへ出力される。チャネル４９へ出力される電気的信号は、チャネル５０を通過する電気的信号に対して周期の整数倍に等しい期間だけそれを遅延させる遅延線に入る。その後、第１部分及び遅延された第２部分は信号結合器５１に供給される。信号結合器５１は電気的信号の第１部分及び遅延された第３部分を結合する。電気的信号の一方は、信号結合器５１又は信号分割器４８で或いは伝達中に反転される。

２つの電気的信号が結合されると、検出器の出力における周期的変動は除去され、言い換えると、容量性応答は除去される（cancelled）。負のディップの後に続く正のピーク（又は装置の構成によっては、正のピークの後に続く負の落ち込み）は、雪崩を示す。

自己差動技術は、ＡＣ結合された単純なＲＦ要素を使用する。これらの要素への入力が正弦又は方形波のような半波対称性を有する場合、デバイスからの出力はゆがめられないだろう。これは、ＡＰＤの容量性応答の除去を改善し、それにより、弱い雪崩を検出することをより容易にする。半波対称性を有するゲート信号、例えば方形波又は正弦波信号が使用される場合、ＲＦ要素はうまく働く。

図６は、一実施形態に従う光子検出システムを備える量子通信システムの概略図である。任意の適切な量子通信プロトコル、例えば、ＢＢ８４を使用することができることが理解される。この実施形態では、情報は光子の位相で符号化される。しかしながら、光子検出システム及び方法は、光子の他の特性、例えば、偏光で情報を符号化する量子通信システムで使用することができる。

量子送信器１０４は、光ファイバであり得る伝送線１０５を介して量子受信器１０６に接続される。送信器は、反復率ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}で光子パルスを生成する周期的光子源である光子源６３を含む。光子源６３はパルスレーザダイオード及び減衰器であってもよい。減衰器は、１つのパルス当たりの光子の平均数が１よりずっと小さくなるように設定されてもよい。或いは、光子パルスのいくつかは、１つのパルス当たりの光子の異なる平均数で送信されてもよい。光子源６３はマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder interferometer）６４に接続されている。光子パルスは、位相変調器６９を使用して、光子パルスへビット及び基底情報を符号化する非対称マッハツェンダー干渉計６４に送信される。マッハツェンダー干渉計は２つのアーム６５及び６６を有する。干渉計の入力における偏光保持ビームスプリッタ６７は、アーム６６へ光の一部を、アーム６６へ一部を送信する。アーム６６は位相変調器６９を有する。アーム６５は、アーム６６を通過する光信号に対して、このアームを通過する光信号を遅延させる遅延ループ６８を有する。２つのアームの間の長さの差は光学遅延に対応する。アーム６５は、アーム６５及び６６間の遅延を微調整するために、調整可能な光遅延線７０をさらに有していてもよい。光信号は、偏光ビームスプリッタ７１で再結合され、伝送線１０５を通過する。

受信器１０６は、偏光コントローラ８３を備える。受信器側では、光信号は、伝送線１０５上で失われる可能性がある光信号の初期の偏光を復元する偏光コントローラ８３を通過する。その後、光信号は、偏光ビームスプリッタ８７、偏光保持ビームスプリッタ９１、短アーム８５、及び長アーム８６からなる第２の非対称マッハツェンダー干渉計８４を通過する。アーム８６は、アーム８５を通過する光信号に対して、このアームを通過する光信号を遅延させる遅延ループ９０を有する。２つのアーム間の長さの差は、送信器干渉計６４の遅延と正確に一致する光学遅延に対応する。干渉計６４の短アームを移動する光子パルスが干渉計８４の長アームを移動し、干渉計６４の長アームを移動する光子パルスが干渉計８４の短アームを移動するように、干渉計は構成される。したがって、両方の光子パルスは、干渉計８４の出力でやがて再びオーバーラップする。言い換えると、両方の光子パルスは、同時に、すなわち、信号レーザ可干渉時間内で、偏光保持ビームスプリッタ９１に到達する。第２の位相変調器８９は、受信器側で基底を設定するために使用される。受信器干渉計８４は、送信器干渉計６４に対する受信器干渉計８４の相対位相を安定させるために、ファイバストレッチャ（fibre stretcher）などの第２の位相シフト要素９４をさらに含んでいてもよい。

偏光保持ビームスプリッタ９１の出力は、光子検出器９２及び９３に接続されている。送信器１０４で選択されたビット及び基底並びに受信器１０６で選択された基底に応じて、光信号は、光子検出器９２又は光検出器９３のいずれかで検出される。光子検出器９２及び９３は、アバランシェフォトダイオードに基づいていることができ、特に、ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づいていることができるゲート単一光子検出器であってもよい。ゲート光子検出器は、自己差動技術に基づくものであってもよい。検出器は、ゲート周波数ｆ_{ｓｉｇｎａｌ}・Ｎで動作することができる。光子検出器は、光子源の反復率より高い周波数を有し、光子源の反復率の整数倍とすることができる。光子検出器は、１００ＭＨｚを超える検出周波数で動作してもよい。アフタパルス分離は、この場合、検出器ごとに独立して実行される。したがって、アフタパルス分離モジュールは、図４ａ又は４ｂに示されるタイプの２つの別個のアフタパルス分離モジュールを含むことができ、これらアフタパルス分離モジュールはそれぞれ検出器のうちの一方に接続されている。単一マスタークロック入力があってもよく、それは例えば各モジュールに入力されるために分割される。

図６に示されるシステムは、クロック信号を使用して同期されてもよい。クロック信号は、エレクトロニクスによって光子源６３に提供されてもよい。エレクトロニクスは、送信器ユニット１０４に含まれていてもよい。エレクトロニクスは、タイミングユニット、光子源６３用のドライバ、クロックレーザ用のドライバ、及び位相変調器６９用のドライバを含んでいてもよい。光子は、クロック信号ごとに生成され、符号化され、クロック信号であるレーザパルスとともに受信器１０６へ送信される。光子信号は、ＷＤＭ（波長分割多重方式）カプラによってクロックレーザ信号で多重化されてもよい。クロックレーザは、信号レーザのものとは異なる波長で放射してもよい。受信器のＷＤＭカプラは、信号をクロック信号及び光子信号に逆多重化するために使用されてもよい。

位相変調器８９は、クロック信号で制御されてもよい。光子検出器９２及び９３は、クロック信号から生成された周期的ゲート信号で制御されてもよい。この周期的ゲート信号は、クロック信号周波数より高い周波数を有していてもよく、したがって、光子検出器のゲート周波数はクロック周波数より高くなるだろう。

或いは、クロックエレクトロニクスは、受信器１０６に設けられていてもよい。位相変調器８９は、このクロック信号で、又はクロック信号から生成された信号で制御されてもよい。光子検出器９２及び９３も同様に、クロック信号で、又はクロック信号から生成された信号で制御されてもよい。クロック信号であるレーザパルスは送信器１０４に送信されてもよく、クロック信号又はクロック信号から生成された信号は、光子源６３用のドライバ及び位相変調器６９用のドライバを制御するために使用されてもよい。

光信号パルスに関してシステムには次の４つの可能な経路がある。
ｉ）長アーム６５−長アーム８６(ロング−ロング)
ｉｉ）短アーム６６−長アーム８６(ショート−ロング)
ｉｉｉ）長アーム６５−短アーム８５(ロング−ショート)
ｉｖ）短アーム６６−短アーム８５(ショート−ショート)
受信器干渉計８４は、経路（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）を通る光子パルスが受信器干渉計８４の出口カプラ（exit coupler）９１にほとんど同時に到着するように、バランスを保たれている（balanced）。ほとんど同時は信号レーザ可干渉時以内を意味し、それは一般に半導体分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオードにおいては数ピコ秒である。

２つの位相変調器間のゼロの位相差に関して検出器９２に建設的干渉がある（したがって検出器９３に相殺的干渉がある）ように、システムは設定されることができる。一方、変調器間の位相差が１８０°である場合、検出器９２に相殺的干渉があり、検出器９３に建設的干渉がある。２つの変調器間の他の位相差については、光子が検出器９２又は検出器９３に出力し得る有限の確率があるだろう。

ＢＢ８４プロトコルでは、位相変調器６９に関する電圧は、０°、９０°、１８０°及び２７０°の位相シフトに対応して、４つの異なる値のうちの１つに設定される。０°及び１８０°は第１の符号化基底においてビット０及び１に対応付けられ、一方、９０°及び２７０°は第２の符号化基底において０及び１に対応付けられる。第２の符号化基底は第１の符号化基底と非直交に選択される。位相シフトは、光信号パルスごとにランダムに選択され、クロックサイクルごとに記録される。

位相変調器８９に印加される電圧は、０°及び９０°に対応する２つの値の間で任意に変えてもよい。これは、第１の測定基底及び第２の測定基底それぞれの間での選択を意味する。位相シフトが適用され、測定結果はクロックサイクルごとに記録される。

これより光子検出の方法を説明する。この方法は、ゲート光子検出器においてアフタパルスカウントを分離することを含み、ここでゲート光子検出器が、検出器ゲートの一部、すなわち、照射ゲート中に照射に晒され、残りのゲート、すなわち、非照射ゲート中に照射されず、方法は、非照射ゲート中のカウントを照射ゲート中のカウントと分離することを含む。非照射ゲート中のカウントはすべて破棄されてもよい。方法は、周期的光子源及びゲート光子検出器を使用し、このゲート光子検出器は、アバランシェフォトダイオードに基づくものであってもよく、ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオードに基づくものであってもよい。ゲート光子検出器は、自己差動技術に基づいていてもよい。ゲート光子検出器は、光子源の反復率より高い周波数を有していてもよく、光子源の反復率の整数倍であってもよい。光子検出器は１００ＭＨｚを超える検出周波数で動作してもよい。

光子検出の方法は、クロック信号を生成し、このクロック信号を光子源及びクロックレーザに提供することを含む。光子源は、クロック信号のパルスごとにパルスを生成する。その後、情報はパルスで符号化される。クロックレーザは同様に、クロック信号のパルスごとにパルスを生成する。その後、符号化された光子パルスは、光ファイバによって受信器ユニットに送信される。クロックレーザパルスは、受信器と送信器との間で送信される。クロックレーザ信号は、光子検出器に適用される周期的ゲート信号を生成するために使用されてもよい。この周期的ゲート信号は、クロック信号よりも周波数が高い。方法は、光子検出器の出力のパルスが、光子がゲート光子検出器に到着すると予測される時間を示す信号のパルスに対応するかどうかを識別することを含む。光子がゲート光子検出器に到着すると予測される時間を示す信号は、クロック信号であってもよい。

クロック信号は、受信器ユニットで生成され、送信ユニットに送信されてもよく、送信ユニットで生成され、受信器ユニットに送信されてもよい。

光子検出の方法は、光子検出器するように構成される光子検出器を提供すること、及び光子検出器に時変ゲート信号（time varying gating signal）を適用することを含む。ゲート信号は、検出器が光子を検出しやすい受信状態と非受信状態との間で検出器を切り替える。ゲート信号は、検出器を光子が検出器に到着すると予測される間隔及び光子が検出器に到着すると予測されない追加時間間隔に、検出器を受信状態に切り替える。方法は、カウントが、光子が検出器に到着すると予測される間隔に対応するのか追加間隔に対応するのかを識別することをさらに含む。

ゲート信号は、周期的であってもよく、半波対称性を有していてもよく、例えば、ゲート信号は、正弦波又は方形波であってもよい。ゲート信号の周波数は少なくとも１００ＭＨｚであってもよい。ゲート信号の周波数は、光子が検出器に到着すると予測される周波数の整数倍であってもよい。

光子検出の方法は、識別器ユニットをさらに提供してもよい。

提供される光子検出器は、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、又は窒化ガリウムで形成されたアバランシェフォトダイオードに基づいたゲート検出器、光電子増倍管に基づいたゲート検出器、或いは、パッシブクエンチング、アクティブクエンチング、自己差動技術、又は正弦波ゲート技術に基づいたゲート検出器であってもよいが、これらに制限されない。この方法において提供される光子検出器はＡＰＤである場合、光子検出システムは、半波対称性を有するＡＣ電圧信号を出力するように構成される、ＤＣ電圧バイアス供給及びＡＣ電圧バイアス供給からなるバイアス回路を含んでいてもよい。ＡＣ電圧信号は１ボルトより大きな振幅を有していてもよい。光子検出の方法は、各ゲート周期中において、その最高値ではＡＰＤブレークダウン電圧を超え、その最低値ではＡＰＤブレークダウン電圧未満となるように、ＡＰＤバイアス電圧を設定することを含んでいてもよい。ＡＣ電圧は、方形波又は正弦波の形状であってもよい。

光子検出方法は、光子を検出するように構成される光子検出器を用意すること、及び光子検出器の出力信号を第１部分とこの第１部分と実質的に同一である第２部分に分割することを含んでいてもよい。方法は、第１部分に対して第２部分を遅延させること、及び遅延された第２部分が出力信号の第１部分における周期的変動を除去するために使用されるように、出力信号の第１部分及び遅延された第２部分を結合することをさらに含む。光子検出方法は、周期的ゲート信号を検出器に適用することをさらに含んでいてもよい。出力信号の第２部分は、検出器ゲート信号の周期の整数倍だけ遅延されてもよい。出力信号の一方の部分は、出力信号の２つの部分を結合する前に、出力信号の他方の部分に対して反転されてもよい。その後、この結合された信号は、アフタパルス分離モジュールの入力によって受信されてもよい。或いは、結合された信号は識別器によって受け取られ、識別器の出力はアフタパルス分離モジュールによって受信されてもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際に、ここに説明した新規な方法及びシステムは、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに説明した新規な方法及びシステムの形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲とそれらの均等物は、発明の範囲や要旨に含まれるそのような変形や修正を含むことを意図される。

Claims (20)

1. 受信状態にある間隔中に光子を検出し、光子が受信されたときに信号を出力するように構成される光子検出器と、
   前記受信状態と非受信状態との間で前記検出器を切り替える時変ゲート信号を生成するように構成され、光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を受信し処理するように構成され、前記光子検出器が、光子が予測される間隔中に前記受信状態にあり、さらに、前記光子が予測される前記間隔の間の追加間隔中にも受信状態にあるように、前記ゲート信号を生成するように構成されるコントローラと、
   前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応するものか前記追加間隔に対応するものかを識別するように構成される検出モジュールと、
   を具備する光子検出システム。
2. 前記ゲート信号は周期信号であって半波対称性を有する請求項１に記載の光子検出システム。
3. 前記ゲート信号は正弦波又は方形波である請求項２に記載の光子検出システム。
4. 前記ゲート信号の周波数は少なくとも１００ＭＨｚである請求項１に記載の光子検出システム。
5. 前記ゲート信号の周波数は、光子が前記検出器に到着すると予測される周波数の整数倍である請求項１に記載の光子検出システム。
6. 前記検出モジュールは、入力信号が電圧閾値を超える場合に電気的パルスを出力するように構成される識別器を備える請求項１に記載の光子検出システム。
7. 前記検出モジュールは、前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、パルスを出力するように構成される請求項１に記載の光子検出システム。
8. 前記検出モジュールは、
   第１の出力と、
   第２の出力と、
   を備え、
   前記検出モジュールは、前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応する場合に、前記第１の出力からパルスを出力するように構成され、前記光子検出器からの前記出力信号が、追加間隔に対応する場合に、前記第２の出力からパルスを出力するようにさらに構成される請求項１に記載の光子検出システム。
9. 前記光子検出器はアバランシェフォトダイオードに基づいている請求項１に記載の光子検出システム。
10. 前記アバランシェフォトダイオードは、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、又は窒化ガリウムのいずれか１つを含む請求項９に記載の光子検出システム。
11. 前記アバランシェフォトダイオードを逆バイアスするように構成されるバイアス回路をさらに具備し、
    前記バイアス回路は、
    ＤＣ電圧バイアス供給と、
    ＡＣ電圧バイアス供給と、
    を備える、請求項９に記載の光子検出システム。
12. 前記ＡＣ電圧信号は１ボルトより大きい振幅を有する請求項１１に記載の光子検出システム。
13. ＡＰＤバイアス電圧は、各ゲート周期中において、最高値ではＡＰＤブレークダウン電圧を超え、最低値では前記ＡＰＤブレークダウン電圧未満である請求項１１に記載の光子検出システム。
14. 前記ＡＣ電圧バイアス供給は、方形波又は正弦波状のＡＣ電圧を出力するように構成される請求項１１に記載の光子検出システム。
15. 入力信号を、第１部分と、該第１部分と実質的に同一である第２部分と、に分割するように構成される信号分割器と、
    前記ゲート信号の周期の整数倍だけ前記第１部分に対して前記第２部分を遅延させるように構成される遅延手段と、
    前記遅延された第２部分が前記第１部分中の周期的変動を除去するために使用されるように、前記信号の前記第１部分と前記遅延された第２部分を結合するように構成される結合器と、
    をさらに具備する請求項９に記載の光子検出システム。
16. 少なくとも２つの基底から選択される基底を使用して符号化される光パルスを受信するように構成される、量子通信システムのための受信器であって、前記パルスを符号化するために使用される可能性のある基底から選択される基底で測定を実行するように構成される復号器と、前記復号器の出力を受信するように構成される請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光子検出システムと、を具備する受信器。
17. 少なくとも２つの基底から選択される基底を使用して符号化される光パルスを送信するように構成される送信ユニットと、
    請求項１６に記載の受信器と、
    前記送信ユニットと前記受信器との間で、光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を通信するように構成される通信チャネルと、
    を具備する量子通信システム。
18. 光子検出の方法であって、
    受信状態にあるときに光子を検出し、光子が受信されたときに信号を出力するように構成される光子検出器を用意することと、
    光子が前記検出器に到着すると予測される時間に関連する情報を受信し処理することと、
    前記光子検出器が、光子が予測される間隔中に前記受信状態にあり、さらに、前記光子が予測される前記間隔の間の追加間隔中にも前記受信状態にあるように、時変ゲート信号を生成し該時変ゲート信号を前記光子検出器に適用することと、
    前記光子検出器からの前記出力信号が、光子が予測される間隔に対応するものか前記追加間隔に対応するものかを識別することと、
    を具備する方法。
19. 前記ゲート信号は半波対称性を有する周期信号である請求項１８に記載の方法。
20. 前記ゲート信号の周波数は少なくとも１００ＭＨｚである請求項１９に記載の方法。

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