JP2018100946A - Photon detection apparatus and photon detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導ストリップ線を用いた光子検出装置及び光子検出方法に関する。 The present invention relates to a photon detection device and a photon detection method using a superconducting strip line.
情報安全性の確保は、ネットワーク社会の緊急課題であり、量子暗号通信が中核を担う技術として期待されている。
しかしながら、現状の安全鍵生成率は、十分ではなく実用的ではない。実用的な安全鍵生成率を実現するためには、光子検出器の高性能化が必須であり、緊急の課題である。
Ensuring information security is an urgent issue in the network society, and quantum cryptography communication is expected as a core technology.
However, the current secure key generation rate is not sufficient and not practical. In order to realize a practical security key generation rate, it is essential to improve the performance of the photon detector, which is an urgent issue.
従来、通信波長帯（１，５５０ｎｍ）の光子検出には、ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が広く用いられてきたが、アフターパルスの発生やダークカウントが多いという問題がある。これらの問題は、鍵生成の誤り率を増大させる要因であるが、ＡＰＤの動作原理上、避けることは困難である。 Conventionally, InGaAs avalanche photodiodes (APDs) have been widely used for photon detection in the communication wavelength band (1,550 nm), but there are problems in that there are many afterpulses and dark counts. These problems are factors that increase the error rate of key generation, but are difficult to avoid due to the operating principle of APD.
また、従来、超伝導ストリップ光子検出装置（ＳＳＰＤ；Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｔｒｉｐ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｅｒ）が光子検出に用いられている（特許文献１，２参照）。ＳＳＰＤは、アフターパルスの発生がなく、ダークカウントが比較的少ないという特長を有しており、量子暗号通信を実現する光子検出器として有力である。
しかしながら、ＳＳＰＤは、動作原理上、高い感度とダークカウントレートを両立させることは困難である。
Conventionally, a superconducting strip photon detector (SSPD) is used for photon detection (see Patent Documents 1 and 2). SSPD has the characteristics that no after-pulse is generated and the dark count is relatively small, and is a promising photon detector for realizing quantum cryptography communication.
However, it is difficult for SSPD to achieve both high sensitivity and dark count rate on the principle of operation.
従来のＳＳＰＤ光子検出装置の等価回路を図１（ａ）に示す。ＳＳＰＤは、厚さが数ｎｍ、幅が数十〜数百ｎｍの超伝導ストリップ線から構成される光子検出装置であり、常時バイアス電流を超伝導ストリップ線に流して動作させる。バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線に光子が入射されると、超伝導ストリップ線の幅方向に完全な常伝導領域が形成される（図１（ａ）、Ｎ参照）。するとバイアス電流は、順方向に流れることができなくなり、測定系に電流パルスが出力される。ＳＳＰＤでは、この電流パルスを光子検出信号として利用する。
ここで、光子が超伝導ストリップ線に入射された際に電流パルスが発生する確率（量子効率）、即ち感度は、図１（ｂ）に示すように、バイアス電流の大きさに依存する（非特許文献１参照）。バイアス電流が大きいほど量子効率が高くなるが（左軸参照）、同時にダークカウントも増加する（右軸参照）。なお、図１（ｂ）は、量子効率のバイアス電流依存性とダークカウントレートのバイアス電流依存性を示す図である。
このように、ＳＳＰＤ光子検出装置では、高い感度と低いダークカウントレートを両立させることは不可能である。
An equivalent circuit of a conventional SSPD photon detection device is shown in FIG. The SSPD is a photon detection device composed of a superconducting strip line having a thickness of several nanometers and a width of several tens to several hundreds of nanometers, and is operated by always passing a bias current through the superconducting strip line. When a photon is incident on a superconducting strip line in a state where a bias current flows, a complete normal conducting region is formed in the width direction of the superconducting strip line (see N in FIG. 1A). Then, the bias current cannot flow in the forward direction, and a current pulse is output to the measurement system. In SSPD, this current pulse is used as a photon detection signal.
Here, the probability (quantum efficiency) that the current pulse is generated when the photon is incident on the superconducting strip line, that is, the sensitivity depends on the magnitude of the bias current as shown in FIG. Patent Document 1). The larger the bias current, the higher the quantum efficiency (see the left axis), but at the same time the dark count increases (see the right axis). FIG. 1B is a diagram showing the bias current dependency of the quantum efficiency and the bias current dependency of the dark count rate.
Thus, in the SSPD photon detection device, it is impossible to achieve both high sensitivity and low dark count rate.
また、電流パルスを光子検出原理とするため、図１（ａ）に示す電流パルスを増幅するための低ノイズアンプを用いる必要がある。低ノイズアンプは、検出システムのジッタに悪影響を及ぼす問題がある。
また、光子検出原理である電流パルスの立下り時間τは、超伝導ストリップ線のインダクタンスＬの大きさによって制限される。インダクタンスＬは、超伝導ストリップ線の全長の断面積に反比例し、インダクタンスＬの大きさを小さくするためには、超伝導ストリップ線の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、感度（量子効率）の観点から超伝導ストリップ線の断面積は、小さくなければならず、これが大きいと光子入射の際の常伝導領域の形成が不完全となり、感度が低下する。そのため、インダクタンスＬは、大きくならざるを得ない。したがって、電流パルスの立下りが緩やかで立下り時間τが長くなり、延いては、システムの応答時定数が数十ｎｓと大きくなり、計数率が数百ＭＨｚ程度しか得られない問題がある。
Further, in order to use the current pulse as a photon detection principle, it is necessary to use a low noise amplifier for amplifying the current pulse shown in FIG. Low noise amplifiers have the problem of adversely affecting the jitter of the detection system.
Further, the fall time τ of the current pulse, which is the principle of photon detection, is limited by the magnitude of the inductance L of the superconducting strip line. The inductance L is inversely proportional to the cross-sectional area of the entire length of the superconducting strip line, and in order to reduce the size of the inductance L, it is necessary to increase the cross-sectional area of the superconducting strip line. However, from the viewpoint of sensitivity (quantum efficiency), the cross-sectional area of the superconducting strip line must be small, and if it is large, the formation of the normal conduction region at the time of photon incidence becomes incomplete and the sensitivity is lowered. Therefore, the inductance L must be increased. Therefore, there is a problem that the current pulse falls slowly and the fall time τ becomes long, and the response time constant of the system becomes as large as several tens ns, and the count rate can be obtained only about several hundred MHz.
本発明者は、こうした問題を解決するため、新たな光子検出装置及び光子検出方法を検討している（特願２０１５−１２３７６４及びＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０６７７４７参照）。
具体的には、次の光子検出装置及び光子検出方法を検討している
In order to solve such a problem, the present inventor is examining a new photon detection device and a photon detection method (see Japanese Patent Application Nos. 2015-123964 and PCT / JP2016 / 0667747).
Specifically, the following photon detection device and photon detection method are being studied.
先ず、図２に、検討に係る光子検出装置の概要を示す。なお、図２は、光子検出装置の概要を示す説明図である。
該図２に示すように、光子検出装置１０は、主として超伝導ストリップ線１と、単一磁束量子（ＳＦＱ；Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ）回路としてのジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ；Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ）回路４とで構成される。
ここで、超伝導ストリップ線１は、検出面が光子検出面とされる長板状の部材とされる。この超伝導ストリップ線１には、電流源２を介してバイアス電流が供給される。
First, FIG. 2 shows an outline of the photon detection apparatus according to the examination. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of the photon detection device.
As shown in FIG. 2, the photon detection device 10 mainly includes a superconducting strip line 1, a Josephson transmission line (JTL) circuit 4 as a single flux quantum (SFQ) circuit, and a circuit 4. Consists of.
Here, the superconducting strip line 1 is a long plate-like member whose detection surface is a photon detection surface. A bias current is supplied to the superconducting strip line 1 via a current source 2.
光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａと、超伝導ストリップ線１との間を電気的に接続する超伝導配線３とが配され、超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される。 In the photon detection device 10, an electrical connection is made between the Josephson junction wiring 5 a that constitutes the first stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (a junction indicated by x in FIG. 2) and the superconducting strip line 1. A superconducting loop 3 capable of detecting a magnetic flux is constituted by the superconducting strip line 1, the superconducting wiring 3, and the Josephson junction wiring 5a.
このように構成される光子検出装置１０では、バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１の検出面に光子が入射されると、磁束−反磁束対が発生する。超伝導ストリップ線１に発生した磁束−反磁束対は、超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流によってローレンツ力を受け、磁束−反磁束対に解離し、それぞれ超伝導ストリップ線１中からバイアス電流の流れる方向と直交する方向、即ち、超伝導ストリップ線１の幅方向に排除され、これらが超伝導ストリップ線１から飛散する。 In the photon detection device 10 configured as described above, when a photon is incident on the detection surface of the superconducting strip line 1 in a state where a bias current flows, a magnetic flux-antimagnetic flux pair is generated. The magnetic flux-antimagnetic flux pair generated in the superconducting strip line 1 is subjected to Lorentz force by the bias current flowing through the superconducting strip line 1 and dissociated into the magnetic flux-antimagnetic flux pair. Excluded in the direction perpendicular to the flowing direction, that is, in the width direction of the superconducting strip line 1, these are scattered from the superconducting strip line 1.
超伝導ストリップ線１から飛散する磁束は、単一磁束量子として超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで構成される前記超伝導ループに捉えられ、前記超伝導ループにパルス状のループ電流を発生させる。このときＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を流しておくと、ループ電流とバイアス電流との和がジョセフソン接合配線５ａのジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ａ上にＳＦＱパルスが発生する。 The magnetic flux scattered from the superconducting strip line 1 is captured by the superconducting loop composed of the superconducting strip line 1, the superconducting wiring 3, and the Josephson junction wiring 5a as a single flux quantum. A pulsed loop current is generated. At this time, if a bias current is made to flow through the Josephson junction wiring 5a that forms the first stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (junction indicated by x in FIG. 2) in the wiring, the sum of the loop current and the bias current is obtained. Temporarily exceeds the critical current value of the Josephson junction of the Josephson junction wiring 5a, the Josephson junction transitions to normal conduction, and an SFQ pulse is generated on the Josephson junction wiring 5a.
ジョセフソン接合５ａを流れるＳＦＱパルスは、回路の右側（出力側）に電流を発生させる。回路の右側（出力側）に発生した電流は、ＪＴＬ回路４の次段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ｂにバイアス電流を流しておくと、ジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ｂ上にジョセフソン接合配線５ａ上のＳＦＱパルスが伝播されるように発生する。なお、発生するＳＦＱパルスの応答時定数は、一般のＪＴＬ回路でも数ピコ秒とすることができる。 The SFQ pulse flowing through the Josephson junction 5a generates a current on the right side (output side) of the circuit. The current generated on the right side (output side) of the circuit causes a bias current to flow in the Josephson junction wiring 5b that forms the next stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (a junction indicated by x in FIG. 2) in the wiring. If so, the critical current value of the Josephson junction is temporarily exceeded, the Josephson junction is in a normal conduction transition, and the SFQ pulse on the Josephson junction wiring 5a is propagated on the Josephson junction wiring 5b. . The response time constant of the generated SFQ pulse can be set to several picoseconds even with a general JTL circuit.
以上のように、（１）光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１を光子検出に用いるため、ＡＰＤのようなアフターパルスがない。（２）また、ＳＳＰＤに比べ、低いバイアス電流／臨界電流比で動作可能であり、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができる。（３）また、超伝導ストリップ線１における微弱な電流パルスを光子検出原理としないため、ＳＳＰＤに配される低ノイズアンプ（図１（ａ）参照）を用いる必要がなく、原理的に測定系の低ジッタ化を可能とする。（４）更に、ＳＳＰＤでは、超伝導ストリップ線１の立下り時間τが超伝導ストリップ線のインダクタンスＬによる制限により（図１（ａ）参照）、応答時定数が数十ナノ秒とされ、光子の計数率が高々数百ＭＨｚ程度であるところ、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１のインダクタンスＬによる計数率の制限を受けず、応答時定数が数ピコ秒とされる。これは、ＳＳＰＤに比べ計数率を３桁以上向上可能であることを意味する。 As described above, (1) in the photon detection device 10, since the superconducting strip line 1 is used for photon detection, there is no after-pulse like APD. (2) Further, it can operate at a lower bias current / critical current ratio than SSPD, and can perform photon detection with suppressed dark count. (3) Further, since a weak current pulse in the superconducting strip line 1 is not used as a photon detection principle, it is not necessary to use a low noise amplifier (see FIG. 1A) arranged in the SSPD, and in principle the measurement system Enables low jitter. (4) Furthermore, in SSPD, the fall time τ of the superconducting strip line 1 is limited by the inductance L of the superconducting strip line (see FIG. 1 (a)), and the response time constant is set to several tens of nanoseconds. In the photon detection device 10, the response time constant is set to several picoseconds without being limited by the count rate due to the inductance L of the superconducting strip line 1. This means that the counting rate can be improved by 3 digits or more compared to SSPD.
ところで、本発明者は、このような光子検出装置１０の実用化に向け、光子の入射を受けて超伝導ストリップ線１から磁束を飛散させるのに好適な超伝導ストリップ線１に供給するバイアス電流の大きさについて、更なる検討を行っている。
この点、初期の検討では、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が９０％以上の大きさのバイアス電流を流すと、ダークカウントが生じ易く、値が６０％未満の大きさのバイアス電流を流すと、磁束−反磁束対を発生させにくく、延いては超伝導ストリップ線１から磁束を飛散させにくいことから、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が６０％〜８５％の大きさのバイアス電流を流すことが好適と考えていた。
By the way, the inventor of the present invention has a bias current supplied to the superconducting strip line 1 suitable for scattering the magnetic flux from the superconducting strip line 1 in response to the incidence of the photon, for the practical use of the photon detecting device 10. Further studies are underway on the size of.
In this regard, in the initial study, when a bias current having a value of 90% or more is applied to the critical current value of the superconducting strip line 1, dark count is likely to occur, and the value is less than 60%. When the bias current is applied, it is difficult to generate a magnetic flux-antimagnetic flux pair, and thus it is difficult to disperse the magnetic flux from the superconducting strip line 1, and therefore the value is 60 with respect to the critical current value of the superconducting strip line 1. It was thought that it was preferable to pass a bias current having a magnitude of% to 85%.
しかしながら、その後、検討を重ねた結果、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が６０％未満の大きさのバイアス電流を流す場合でも、超伝導ストリップ線１に磁束−反磁束対を発生させることができ、飛散する磁束に基づく光子の検出が可能であることの知見を得た。
超伝導ストリップ線１に磁束−反磁束対を発生させるバイアス電流は、値が小さい程、ダークカウントの発生を抑制することができることから、先の知見は、光子検出装置１０をより一層実用的なものとするための革新的な鍵となる。
However, after that, as a result of repeated studies, even when a bias current having a value of less than 60% is applied to the critical current value of the superconducting strip line 1, a flux-antimagnetic flux pair is applied to the superconducting strip line 1. It has been found that photons can be detected based on scattered magnetic flux.
The smaller the value of the bias current for generating the magnetic flux-antimagnetic flux pair in the superconducting strip line 1, the more the dark count can be suppressed, and the above knowledge is that the photon detection device 10 is more practical. The key to innovation.
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、実用的で、アフターパルスがなく、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができ、かつ、低ジッタで高い計数率が得られる光子検出装置及び光子検出方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems in the prior art, is practical, has no after-pulse, can perform photon detection with suppressed dark count generation, and can obtain a high count rate with low jitter. An object is to provide a detection device and a photon detection method.
本発明は、前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 板面が光子検出面とされる長板状の超伝導ストリップ線及び前記超伝導ストリップ線にバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段を有する光子検出部と、光子検出時に前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を検出可能な単一磁束量子コンパレータ回路とを有し、前記バイアス電流供給手段が、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流す手段であることを特徴とする光子検出装置。
＜２＞ 単一磁束量子コンパレータ回路が、少なくとも配線内にジョセフソン接合を有するジョセフソン接合配線と、前記ジョセフソン接合配線−超伝導ストリップ線間を電気的に接続する超伝導配線とを有し、前記超伝導ストリップ線と前記超伝導配線と前記ジョセフソン接合配線とで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される前記＜１＞に記載の光子検出装置。
＜３＞ 検出対象の光子が導波される光導波路上に超伝導ストリップ線が配される前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜４＞ 光導波路の光導波方向に沿って超伝導ストリップ線が複数配されるとともに、個々の前記超伝導ストリップ線に対応して光子検出部と単一磁束量子コンパレータ回路が複数配され、更に、個々の前記単一磁束量子コンパレータ回路から出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力される統合入力回路が配される前記＜３＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜５＞ 更に、参照時間信号の入力時間と、磁束の検出に伴い単一磁束量子コンパレータ回路又は統合入力回路から出力される出力信号の入力時間との時間差を計測し、前記時間差から前記出力信号をデジタルデータ化する時間デジタル変換器を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜６＞ 前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の光子検出装置を用いて光子を検出する光子検出方法であって、バイアス電流を超伝導ストリップ線に流した状態で検出面に前記光子を入射させ、前記光子の入射により前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を単一磁束量子コンパレータ回路で検出することで、前記光子を検出することとし、かつ、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流すことを特徴とする光子検出方法。
The present invention is based on the above knowledge, and means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> A long plate-like superconducting strip line whose plate surface is a photon detection surface, a photon detection unit having bias current supply means for supplying a bias current to the superconducting strip line, and the superconducting strip at the time of photon detection A single flux quantum comparator circuit capable of detecting a magnetic flux scattered from the line, wherein the bias current supply means has a value greater than 0% and less than 60% with respect to a critical current value of the superconducting strip line. A photon detection device, characterized in that said bias current is a means to flow through said superconducting strip line.
<2> The single magnetic flux quantum comparator circuit has at least a Josephson junction wiring having a Josephson junction in the wiring, and a superconducting wiring that electrically connects the Josephson junction wiring and the superconducting strip line. The photon detection device according to <1>, wherein a superconducting loop capable of detecting a magnetic flux is configured by the superconducting strip line, the superconducting wiring, and the Josephson junction wiring.
<3> The photon detection device according to any one of <1> to <2>, wherein a superconducting strip line is arranged on an optical waveguide through which a photon to be detected is guided.
<4> A plurality of superconducting strip lines are arranged along the optical waveguide direction of the optical waveguide, and a plurality of photon detectors and single flux quantum comparator circuits are arranged corresponding to each of the superconducting strip lines. The photon detection device according to any one of <3>, wherein an integrated input circuit into which output signals output from the single magnetic flux quantum comparator circuits are input in an integrated manner is arranged.
<5> Further, the time difference between the input time of the reference time signal and the input time of the output signal output from the single magnetic flux quantum comparator circuit or the integrated input circuit in accordance with the detection of the magnetic flux is measured, and the output signal is calculated from the time difference. The photon detection device according to any one of <1> to <4>, further including a time digital converter that converts the data into digital data.
<6> A photon detection method for detecting a photon using the photon detection device according to any one of <1> to <5>, wherein a bias current is applied to a detection surface in a state where a bias current is passed through a superconducting strip line. The photon is incident, and the photon is detected by detecting the magnetic flux scattered from the superconducting strip line by the incidence of the photon by a single flux quantum comparator circuit, and the critical current of the superconducting strip line is detected. A photon detection method, wherein the bias current having a value greater than 0% and less than 60% is passed through the superconducting strip line.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、実用的で、アフターパルスがなく、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができ、かつ、低ジッタで高い計数率が得られる光子検出装置及び光子検出方法を提供することができる。 According to the present invention, the above-described problems in the prior art can be solved, practical, free of afterpulses, photon detection can be performed while suppressing the occurrence of dark count, and low jitter and high counting can be achieved. It is possible to provide a photon detection device and a photon detection method capable of obtaining a rate.
（光子検出装置及び光子検出方法）
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る光子検出装置は、先に説明した、検討に係る光子検出装置１０（図２参照）と、バイアス電流供給手段を除き、同様の構成とされる。
以下では、改めて第１の実施形態に係る光子検出装置を説明するが、参照図面及び図中の符号については、説明の便宜上、図２及び図２に示す符号を用いる。
(Photon detection device and photon detection method)
<First Embodiment>
First, a first embodiment of the present invention will be described. The photon detection apparatus according to the first embodiment has the same configuration as that described above except for the photon detection apparatus 10 (see FIG. 2) according to the examination and the bias current supply unit.
In the following, the photon detection apparatus according to the first embodiment will be described again. For convenience of explanation, reference numerals shown in FIGS. 2 and 2 are used for reference numerals in the reference drawings and drawings.
光子検出装置１０は、主として超伝導ストリップ線１と、単一磁束量子（ＳＦＱ）回路としてのジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）回路４とで構成される。 The photon detection device 10 is mainly composed of a superconducting strip line 1 and a Josephson transmission line (JTL) circuit 4 as a single flux quantum (SFQ) circuit.
超伝導ストリップ線１は、板面が光子検出面とされる長板状の部材である。この超伝導ストリップ線１としては、特に制限はなく公知のものから適宜選択して用いることができる。
また、超伝導ストリップ線１の形状としては、特に制限はないが、ここでは超伝導ストリップ線１から排除される磁束を線の長さ方向と直交する方向に排除させ、ＪＴＬ回路４での磁束検出を安定化させる目的から直線状の形状とされる。ただし、直線状とする場合でも、光子入射時に線外に排除される磁束をＪＴＬ回路４で検出可能な限り、直線状の部位の他に直線状以外の部位を付加することを妨げない。
超伝導ストリップ線１の線幅としては、特に制限はなく、一般に１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、厚みとしても、特に制限はなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。
また、超伝導ストリップ線１の長さとしては、特に制限はないが、１μｍ以上１０μｍ未満が好ましく、２μｍ〜５μｍがより好ましい。長さが１μｍ未満であると、光子吸収率が低くなり、１０μｍ以上であるとＪＴＬ回路４での電流検出感度が低下することがある。
Superconducting strip line 1 is a long plate-like member whose plate surface is a photon detection surface. The superconducting strip wire 1 is not particularly limited and can be appropriately selected from known ones.
The shape of the superconducting strip line 1 is not particularly limited, but here, the magnetic flux eliminated from the superconducting strip line 1 is eliminated in a direction perpendicular to the length direction of the line, and the magnetic flux in the JTL circuit 4 is obtained. For the purpose of stabilizing detection, the shape is linear. However, even in the case of a linear shape, as long as the JTL circuit 4 can detect the magnetic flux excluded outside the line when a photon is incident, it does not prevent the addition of a portion other than the linear portion in addition to the linear portion.
The line width of the superconducting strip line 1 is not particularly limited and is generally about 10 nm to 200 nm, and the thickness is also not particularly limited and is about 1 nm to 20 nm.
The length of the superconducting strip line 1 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more and less than 10 μm, and more preferably 2 μm to 5 μm. When the length is less than 1 μm, the photon absorptance is low, and when it is 10 μm or more, the current detection sensitivity in the JTL circuit 4 may be lowered.
超伝導ストリップ線１には、バイアス電流が供給される。バイアス電流を供給するバイアス電流供給手段としては、特に制限はなく、例えば、電流源２を介して適宜の大きさのバイアス電流を供給する手段が挙げられる。光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１と前記バイアス電流供給手段とで光子検出部が構成される。 A bias current is supplied to the superconducting strip line 1. The bias current supply means for supplying the bias current is not particularly limited, and examples thereof include a means for supplying a bias current having an appropriate magnitude via the current source 2. In the photon detector 10, the superconducting strip line 1 and the bias current supply means constitute a photon detector.
ここで、光子検出装置１０では、前記バイアス電流供給手段が、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を超伝導ストリップ線１に流す手段であることを技術の核とする。
即ち、本発明者は、下記表１に示すように超伝導ストリップ線１に対して光子を入射させていない状態でも、超伝導ストリップ線１に前記バイアス電流を供給すると、超伝導ストリップ線１から前記磁束−反磁束対が発生していることを偶発的に発見することができた。つまり、前記バイアス電流が流れる状態の超伝導ストリップ線１では、想定よりも遥かに超伝導パラメータが不安定な状態であり、光子を入射させれば、より一層前記超伝導パラメータが不安定になるため（図３（ａ）参照）、より確実に（例えば１００％の確率で）超伝導ストリップ線１から前記磁束−反磁束対を発生させることができる。言い換えれば、光子の検出のために超伝導ストリップ線１に供給する前記バイアス電流の大きさが、下記表１に示す前記バイアス電流の大きさに比べて小さい場合でも、光子を検出することができる。
Here, in the photon detection device 10, the bias current supply means applies the bias current having a value exceeding 0% and less than 60% to the critical current value of the superconducting strip line 1. The core of the technology is that it is a means to circulate.
That is, when the present inventors supply the bias current to the superconducting strip line 1 even when no photons are incident on the superconducting strip line 1 as shown in Table 1 below, It was discovered accidentally that the magnetic flux-antimagnetic flux pair was generated. That is, in the superconducting strip line 1 in a state where the bias current flows, the superconducting parameter is far more unstable than expected, and the superconducting parameter becomes more unstable if a photon is incident. Therefore (see FIG. 3A), the magnetic flux-antimagnetic flux pair can be generated from the superconducting strip line 1 more reliably (for example, with a probability of 100%). In other words, even when the magnitude of the bias current supplied to the superconducting strip line 1 for photon detection is smaller than the magnitude of the bias current shown in Table 1 below, photons can be detected. .
ここで、下記表１に示す、バイアス電流／臨界電流（％）と磁束量子検出確率（％）の関係は、ニオブ製の超伝導ストリップ線（長さ；５μｍ、幅；１００ｎｍ）にバイアス電流を流した状態で前記超伝導ストリップ線から飛散する前記磁束の有無を、５０ｋＨｚの周期、即ち、２０マイクロ秒毎に測定したものであり、測定は、各バイアス電流の大きさ毎に１００，０００回行った。また、この測定は、前記ニオブ製の前記超伝導ストリップ線が超伝導性を示す４．２Ｋの温度下で行ったものである。
前記測定では、前記超伝導ストリップ線をニオブ製の超伝導材で形成しているが、ＹＢＣＯ製の超伝導材等の高温超伝導体は、超伝導ギャップエネルギーが大きく、磁束量子を発生させるために必要なバイアス電流も大きな値が必要となる。一方、ニオブ製の超伝導材等の低温超伝導体は、前記超伝導ギャップエネルギーが小さく、前記磁束量子を発生させるために必要なバイアス電流が僅かで済む。
なお、光子を入射しない状態で前記バイアス電流を供給した場合に発生する磁束（磁束量子）の存在は、ダークカウントの原因になり得るが、前記表１に示すように、発生確率が極めて低いことから、前記バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１に光子を入射させた場合に高確率で発生する磁束（磁束量子）と区別することができる。
Here, the relationship between bias current / critical current (%) and magnetic flux quantum detection probability (%) shown in Table 1 below is that the bias current is applied to a niobium superconducting strip wire (length: 5 μm, width: 100 nm). The presence or absence of the magnetic flux scattered from the superconducting strip line in a flowing state was measured at a frequency of 50 kHz, that is, every 20 microseconds. The measurement was performed 100,000 times for each magnitude of each bias current. went. This measurement was performed at a temperature of 4.2 K at which the superconducting strip wire made of niobium exhibits superconductivity.
In the measurement, the superconducting strip wire is formed of a niobium superconductor, but a high-temperature superconductor such as a YBCO superconductor has a large superconducting gap energy and generates a flux quantum. A large value is also required for the bias current required for the above. On the other hand, a low-temperature superconductor such as a superconducting material made of niobium has a small superconducting gap energy, and only a small bias current is required to generate the magnetic flux quantum.
Note that the presence of magnetic flux (flux quanta) generated when the bias current is supplied in a state where no photons are incident can cause dark count, but the probability of occurrence is extremely low as shown in Table 1 above. Therefore, it can be distinguished from magnetic flux (flux quanta) generated with high probability when a photon is incident on the superconducting strip line 1 in a state where the bias current is passed.
前述の通り、前記バイアス電流供給手段としては、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を超伝導ストリップ線１に流す手段であるが、前記バイアス電流の大きさが小さい程、ダークカウントの発生を抑制することができ、光子検出装置１０をより一層実用的なものとすることができる。、こうした観点から、前記バイアス電流の大きさとしては、より小さいことが好ましい。即ち、前記バイアス電流の大きさとしては、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、その値が０％を超え３０％以下が好ましく、その値が０％を超え２０％以下がより好ましく、その値が０％を超え１０％以下が特に好ましい。 As described above, the bias current supply means is a means for flowing the bias current having a value greater than 0% and less than 60% to the superconductive strip line 1 with respect to the critical current value of the superconductive strip line 1. However, the smaller the bias current is, the more the dark count can be suppressed, and the photon detection device 10 can be made more practical. From such a viewpoint, it is preferable that the magnitude of the bias current is smaller. That is, the magnitude of the bias current is preferably more than 0% and less than 30% with respect to the critical current value of the superconducting strip wire 1, more preferably more than 0% and less than 20%. The value is particularly preferably more than 0% and 10% or less.
光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａと、超伝導ストリップ線１との間を電気的に接続する超伝導配線３とが配され、超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される。
即ち、光子検出装置１０では、超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとでＳＦＱコンパレータ回路を構成する。
超伝導配線３としては、特に制限はなく、抵抗やキャパシタンスが比較的小さいものを挿入してもよいが、超伝導ストリップ線１にバイアス電流を流し易くするため、抵抗やキャパシタンスが比較的大きいものを挿入してもよい。また、超伝導ストリップ線１とジョセフソン接合配線５ａとは、前記超伝導ループを構成するため共通の接地で接続される。
なお、ＪＴＬ回路４としては、特に制限はなく、公知のＪＴＬ回路と同様の構成とすることができる。また、ジョセフソン接合としては、２つの超伝導材中に薄い絶縁膜を挟む態様のほか、超伝導材の一部を他の部分よりも細く加工して形成した態様（弱結合）等のジョセフソン効果を発生させる接合を含む。
In the photon detection device 10, an electrical connection is made between the Josephson junction wiring 5 a that constitutes the first stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (a junction indicated by x in FIG. 2) and the superconducting strip line 1. A superconducting loop 3 capable of detecting a magnetic flux is constituted by the superconducting strip line 1, the superconducting wiring 3, and the Josephson junction wiring 5a.
That is, in the photon detection device 10, the superconducting wiring 3 and the Josephson junction wiring 5a constitute an SFQ comparator circuit.
The superconducting wiring 3 is not particularly limited and may be inserted with a relatively small resistance or capacitance. However, in order to make a bias current easily flow through the superconducting strip line 1, the resistance and the capacitance are relatively large. May be inserted. The superconducting strip line 1 and the Josephson junction wiring 5a are connected by a common ground to constitute the superconducting loop.
The JTL circuit 4 is not particularly limited, and can have the same configuration as a known JTL circuit. Josephson junctions include a mode in which a thin insulating film is sandwiched between two superconducting materials, and a mode in which a part of the superconducting material is processed to be thinner than other portions (weak coupling). Includes junctions that produce the Son effect.
光子検出装置１０では、前記超伝導ループが超伝導ストリップ線１から飛散する磁束を捉えるため、例えば、超伝導ストリップ線１の幅方向の延長上に直線状の超伝導ストリップ線１の長さ方向と平行してジョセフソン接合配線５ａを配して構成される。
また、磁束の減衰を避けるため、ジョセフソン接合配線５ａとしては、超伝導ストリップ線１の近傍に配されることが好ましく、超伝導ストリップ線１−ジョセフソン接合配線５ａ間の距離としては、最短距離で１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
In the photon detection device 10, in order to capture the magnetic flux scattered from the superconducting strip line 1, for example, the length direction of the linear superconducting strip line 1 on the extension in the width direction of the superconducting strip line 1 is used. In parallel with the Josephson junction wiring 5a.
In order to avoid the attenuation of magnetic flux, the Josephson junction wiring 5a is preferably arranged in the vicinity of the superconducting strip line 1, and the shortest distance between the superconducting strip line 1 and the Josephson junction wiring 5a. The distance is preferably 1 μm to 10 μm.
光子検出装置１０の変形例として、超伝導配線３を設けず、超伝導ストリップ線１とＪＴＬ回路４とを別体で構成し、ＪＴＬ回路４中の超伝導ループで超伝導ストリップ線１から飛散する磁束を検出するように構成することもできる。この変形例では、ＪＴＬ回路４がＳＦＱコンパレータ回路を構成する。 As a modification of the photon detection device 10, the superconducting wiring 3 is not provided, the superconducting strip line 1 and the JTL circuit 4 are configured separately, and the superconducting loop in the JTL circuit 4 scatters from the superconducting strip line 1. It can also comprise so that the magnetic flux to be detected may be detected. In this modification, the JTL circuit 4 constitutes an SFQ comparator circuit.
しかしながら、前記超伝導ループを図２に示す超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａと構成すると、超伝導配線３を含め、磁束を排出する超伝導ストリップ線１と当該磁束をＳＦＱパルスとして検出可能とするジョセフソン接合配線５ａとがモノシリック体として各部の配置関係が固定されて形成され、光子を安定的に検出させることができ、より実用的である。
また、超伝導ストリップ線１自身が前記超伝導ループを構成するため、磁束を捉え易く、変形例における前記超伝導ループ外から飛散する磁束を検出する構成よりも、高い検出感度で磁束を検出することができ、より実用的である。
また、超伝導ストリップ線１を含む前記光子検出部を構成する配線と、前記コンパレータ回路（超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａ）を構成する配線とを同じ超伝導材料とすれば、製造効率を向上させることができるとともに微細加工を容易化させることができ、より実用的である。
However, if the superconducting loop is composed of the superconducting strip line 1, superconducting wiring 3 and Josephson junction wiring 5a shown in FIG. 2, the superconducting strip line 1 including the superconducting wiring 3 and discharging the magnetic flux and the magnetic flux Is formed as a monolithic body with a fixed arrangement relationship of each part, so that photons can be detected stably and is more practical.
Further, since the superconducting strip line 1 itself constitutes the superconducting loop, it is easy to catch the magnetic flux, and the magnetic flux is detected with higher detection sensitivity than the configuration of detecting the magnetic flux scattered from outside the superconducting loop in the modified example. Can be more practical.
Further, if the wiring that constitutes the photon detection unit including the superconducting strip line 1 and the wiring that constitutes the comparator circuit (superconducting wiring 3 and Josephson junction wiring 5a) are made of the same superconducting material, the production efficiency is improved. Can be improved and microfabrication can be facilitated, which is more practical.
ＪＴＬ回路４は、ＳＦＱ論理回路６と接続される。ＳＦＱ論理回路６としては、特に制限はなく、例えば、参照時間信号の入力時間と、磁束の検出に伴い前記ＳＦＱコンパレータ回路（ＪＴＬ回路４）から出力される出力信号の入力時間との時間差を計測し、前記時間差から前記出力信号をデジタルデータ化する時間デジタル変換器（ＴＤＣ；Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が挙げられる。
前記ＴＤＣとしては、特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができるが、極低温環境での動作のため、本発明者らが開発した下記参考文献に記載のＳＦＱ回路で構成されるＳＦＱ−ＴＤＣが好ましい。前記ＳＦＱ−ＴＤＣでは、タイミングジッタを２．５ピコ秒以下で信号処理を行うことができる。
前記ＴＤＣによりデジタルデータ化された信号は、装置外の室温環境下にあるデバイスに伝送される。一般に広帯域伝送が可能なケーブルは、熱の良導体でもあるため、超高速パルスを室温環境下まで伝送することが困難である。一方、デジタルデータ化された信号を伝送するためのケーブルは、ＭＨｚ帯域伝送のものでよく、室温環境下まで信号を伝送させることができる。
参考文献：K. Nakamiya, T. Nishigai, N. Yoshikawa, A. Fujimaki, H. Terai and S. Yorozu, "Improvement of time resolution of the double-oscillator time-to-digital converter using SFQ circuits," Physica C 463, 1088 (2007).
The JTL circuit 4 is connected to the SFQ logic circuit 6. The SFQ logic circuit 6 is not particularly limited. For example, the time difference between the input time of the reference time signal and the input time of the output signal output from the SFQ comparator circuit (JTL circuit 4) when the magnetic flux is detected is measured. In addition, a time-to-digital converter (TDC) that converts the output signal into digital data based on the time difference can be used.
The TDC is not particularly limited and may be appropriately selected from known ones. However, for operation in a cryogenic environment, the TDC is configured by an SFQ circuit described in the following reference developed by the present inventors. SFQ-TDC is preferred. The SFQ-TDC can perform signal processing with a timing jitter of 2.5 picoseconds or less.
The signal converted into digital data by the TDC is transmitted to a device in a room temperature environment outside the apparatus. In general, a cable capable of broadband transmission is also a good conductor of heat, so it is difficult to transmit an ultrafast pulse to a room temperature environment. On the other hand, a cable for transmitting a signal converted into digital data may be a MHz band transmission, and can transmit the signal to a room temperature environment.
References: K. Nakamiya, T. Nishigai, N. Yoshikawa, A. Fujimaki, H. Terai and S. Yorozu, "Improvement of time resolution of the double-oscillator time-to-digital converter using SFQ circuits," Physica C 463, 1088 (2007).
なお、光子検出装置１０は、超伝導動作を含むため、図示しない冷凍器等に収容されて用いられる。 In addition, since the photon detection apparatus 10 includes a superconducting operation, the photon detection apparatus 10 is accommodated and used in a refrigerator or the like (not shown).
−動作原理及び動作方法−
光子検出装置１０の動作原理及び動作方法について説明する。
先ず、前記光子検出部では、バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１の検出面に光子が入射されると、磁束−反磁束対が解離（Ｕｎｂｉｎｄｉｎｇ）する。磁束−反磁束対の発生は、超伝導秩序パラメータの変動に起因するものと考えられる。図３（ａ）は、超伝導ストリップ線に光子が入射された際の超伝導秩序パラメータの時間的変動をシミュレートした結果を示す図である。この図３（ａ）に示すように、光子が入射されてから５ピコ秒程度だけ遅れて超伝導秩序パラメータが振動することが分かる。
-Operating principle and operating method-
The operation principle and operation method of the photon detection device 10 will be described.
First, in the photon detection unit, when a photon is incident on the detection surface of the superconducting strip line 1 in a state where a bias current is passed, the magnetic flux-antimagnetic flux pair is dissociated (Unbinding). The generation of the magnetic flux-antimagnetic flux pair is considered to be caused by the fluctuation of the superconducting order parameter. FIG. 3A is a diagram showing the result of simulating the temporal variation of the superconducting order parameter when a photon is incident on the superconducting strip line. As shown in FIG. 3A, it can be seen that the superconducting order parameter oscillates with a delay of about 5 picoseconds after the incidence of the photon.
図３（ｂ）は、磁束−反磁束対の解離状況を示す説明図である。超伝導秩序パラメータの振動によって超伝導ストリップ線１に発生した磁束−反磁束対は、超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流によってローレンツ力を受けて磁束−反磁束対に解離し、それぞれ超伝導ストリップ線１中からバイアス電流の流れる方向と直交する方向、即ち、超伝導ストリップ線１の幅方向に磁束−反磁束対が排除され、これらが超伝導ストリップ線１から飛散する。
なお、このとき超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流が臨界電流近くまで十分に大きいと、超伝導ストリップ線１の幅方向に完全な常伝導領域が形成される。従来技術であるＳＳＰＤでは、このような超伝導ストリップ線１の幅方向に完全な常伝導領域を形成させることによって電流パルスを出力することとしているが、これを換言すれば、超伝導ストリップ線１の臨界電流近くまで十分に大きいバイアス電流を流す必要があることを意味している。
これに対し、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１に流すバイアス電流の大きさが、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、６０％未満の大きさとすることができ、超伝導ストリップ線１の臨界電流値からみて、バイアス電流の大きさを十分に小さいものとすることができる。延いては、ＳＳＰＤにおいて不可能とされた、高い感度と低いダークカウントレートとの両立が可能となる。
FIG. 3B is an explanatory diagram showing the dissociation state of the magnetic flux-antimagnetic flux pair. The magnetic flux-antimagnetic flux pair generated in the superconducting strip line 1 due to the oscillation of the superconducting order parameter receives the Lorentz force by the bias current flowing through the superconducting strip line 1 and dissociates into the magnetic flux-antimagnetic flux pair. The magnetic flux-antimagnetic flux pair is eliminated from the line 1 in the direction perpendicular to the direction in which the bias current flows, that is, in the width direction of the superconducting strip line 1, and these are scattered from the superconducting strip line 1.
At this time, if the bias current flowing through the superconducting strip line 1 is sufficiently large to near the critical current, a complete normal conduction region is formed in the width direction of the superconducting strip line 1. In the conventional SSPD, a current pulse is output by forming a complete normal conduction region in the width direction of such a superconducting strip line 1, in other words, the superconducting strip line 1. This means that it is necessary to pass a sufficiently large bias current to near the critical current.
On the other hand, in the photon detection device 10, the magnitude of the bias current flowing through the superconducting strip line 1 can be less than 60% of the critical current value of the superconducting strip line 1. In view of the critical current value of the line 1, the magnitude of the bias current can be made sufficiently small. As a result, it is possible to achieve both high sensitivity and low dark count rate, which is impossible in SSPD.
再び図２を参照しつつ、説明をする。
超伝導ストリップ線１から飛散する磁束は、単一磁束量子として超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで構成される前記超伝導ループに捉えられ、前記超伝導ループにパルス状のループ電流を発生させる。このときＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を流しておくと、ループ電流とバイアス電流との和がジョセフソン接合配線５ａのジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ａ上にＳＦＱパルスが発生する。
ジョセフソン接合５ａを流れるＳＦＱパルスは、回路の右側（出力側）に電流を発生させる。回路の右側（出力側）に発生した電流は、ＪＴＬ回路４の次段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ｂにバイアス電流を流しておくと、ジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ｂ上にジョセフソン接合配線５ａ上のＳＦＱパルスが伝播されるように発生する。なお、発生するＳＦＱパルスの応答時定数は、一般のＪＴＬ回路でも数ピコ秒とすることができる。
ＪＴＬ回路４を伝播するＳＦＱパルスは、ＳＦＱ論理回路６に出力され、デジタルデータ化され、適当なケーブルにより室温環境下まで伝送される。ＳＦＱ論理回路６として、前記ＳＦＱ−ＴＤＣを用いれば、タイミングジッタを２．５ピコ秒以下として信号処理を行うことができる。
The description will be made with reference to FIG. 2 again.
The magnetic flux scattered from the superconducting strip line 1 is captured by the superconducting loop composed of the superconducting strip line 1, the superconducting wiring 3, and the Josephson junction wiring 5a as a single flux quantum. A pulsed loop current is generated. At this time, if a bias current is made to flow through the Josephson junction wiring 5a that forms the first stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (junction indicated by x in FIG. 2) in the wiring, the sum of the loop current and the bias current is obtained. Temporarily exceeds the critical current value of the Josephson junction of the Josephson junction wiring 5a, the Josephson junction transitions to normal conduction, and an SFQ pulse is generated on the Josephson junction wiring 5a.
The SFQ pulse flowing through the Josephson junction 5a generates a current on the right side (output side) of the circuit. The current generated on the right side (output side) of the circuit causes a bias current to flow in the Josephson junction wiring 5b that forms the next stage of the JTL circuit 4 and has a Josephson junction (a junction indicated by x in FIG. 2) in the wiring. If so, the critical current value of the Josephson junction is temporarily exceeded, the Josephson junction is in a normal conduction transition, and the SFQ pulse on the Josephson junction wiring 5a is propagated on the Josephson junction wiring 5b. . The response time constant of the generated SFQ pulse can be set to several picoseconds even with a general JTL circuit.
The SFQ pulse propagating through the JTL circuit 4 is output to the SFQ logic circuit 6, converted into digital data, and transmitted to a room temperature environment through an appropriate cable. If the SFQ-TDC is used as the SFQ logic circuit 6, signal processing can be performed with a timing jitter of 2.5 picoseconds or less.
なお、前述の光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成するジョセフソン接合配線５ａを前記コンパレータ回路の構成部材として説明をしたが、ＪＴＬ回路４自体は、ジョセフソン接合配線５ａ上に発生したＳＦＱパルスを伝送させる手段であり、前記コンパレータ回路と分けて考えることができる。
したがって、更なる変形例として、図２中のＪＴＬ回路４を持たず、超伝導ストリップ線１を含む前記光子検出部と、超伝導配線３、ジョセフソン接合配線５ａに加え、ジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を供給する公知のバイアス電流供給手段、及びジョセフソン接合配線５ａ上に発生するＳＦＱパルスを検出する公知の検出手段で構成されたコンパレータ回路とで、光子検出装置を構成してもよい。
In the photon detection device 10 described above, the Josephson junction wiring 5a constituting the first stage of the JTL circuit 4 has been described as a constituent member of the comparator circuit. However, the JTL circuit 4 itself is generated on the Josephson junction wiring 5a. The means for transmitting the SFQ pulse, which can be considered separately from the comparator circuit.
Therefore, as a further modification, in addition to the photon detector including the superconducting strip line 1, the superconducting wiring 3, and the Josephson junction wiring 5a, the Josephson junction wiring 5a is not provided. A photon detection device may be constituted by a known bias current supply means for supplying a bias current to the comparator circuit and a comparator circuit constituted by a known detection means for detecting an SFQ pulse generated on the Josephson junction wiring 5a. .
以上のように、（１）光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１を光子検出に用いるため、ＡＰＤのようなアフターパルスがない。（２）また、ＳＳＰＤに比べ、低いバイアス電流／臨界電流比で動作可能であるため、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができる。（３）また、超伝導ストリップ線１における微弱な電流パルスを光子検出原理としないため、ＳＳＰＤに配される低ノイズアンプ（図１（ａ）参照）を用いる必要がなく、原理的に測定系の低ジッタ化を可能とする。（４）更に、ＳＳＰＤでは、超伝導ストリップ線１の立下り時間τが超伝導ストリップ線のインダクタンスＬによる制限により（図１（ａ）参照）、応答時定数が数十ナノ秒とされ、光子の計数率が高々数百ＭＨｚ程度であるところ、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１のインダクタンスＬによる計数率の制限を受けず、応答時定数は、磁束発生の時間幅（図３（ａ）参照）又はＳＦＱパルスの立下り時間（図２参照）によって決定され、いずれにしても数ピコ秒とされる。これは、ＳＳＰＤに比べ計数率を３桁以上向上可能であることを意味する。 As described above, (1) in the photon detection device 10, since the superconducting strip line 1 is used for photon detection, there is no after-pulse like APD. (2) Further, since it is possible to operate with a lower bias current / critical current ratio than SSPD, it is possible to perform photon detection with suppressed dark count. (3) Further, since a weak current pulse in the superconducting strip line 1 is not used as a photon detection principle, it is not necessary to use a low noise amplifier (see FIG. 1A) arranged in the SSPD, and in principle the measurement system Enables low jitter. (4) Furthermore, in SSPD, the fall time τ of the superconducting strip line 1 is limited by the inductance L of the superconducting strip line (see FIG. 1 (a)), and the response time constant is set to several tens of nanoseconds. In the photon detection device 10, the count rate is not limited by the inductance L of the superconducting strip wire 1, and the response time constant is the time width of magnetic flux generation (FIG. 3 ( a)) or the fall time of the SFQ pulse (see FIG. 2), and in any case, a few picoseconds. This means that the counting rate can be improved by 3 digits or more compared to SSPD.
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態の概要を示す説明図である。
光子検出装置５０は、主として超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ、ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ、統合入力回路（ＣＢ；Ｃｏｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｂｕｆｆｅｒ）７ａ〜７ｃ、ＳＦＱ論理回路６、光導波路８ｂ、光子検出部、コンパレータ回路が基板８ａ上にモノシリックに形成されて構成される。なお、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ、ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ、ＳＦＱ論理回路６、前記光子検出部、前記コンパレータ回路の各部の詳細は、光子検出装置１０における超伝導ストリップ線１、ＪＴＬ回路４、ＳＦＱ論理回路６、前記光子検出部、前記コンパレータ回路と同様であるため、個々の構成及び動作に関する説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing an outline of the second embodiment of the present invention.
The photon detection device 50 mainly includes superconducting strip lines 1a to 1d, JTL circuits 4a to 4d, integrated input circuits (CB) 7a to 7c, SFQ logic circuit 6, optical waveguide 8b, photon detection unit, and comparator circuit. It is formed monolithically on the substrate 8a. The superconducting strip lines 1a to 1d, the JTL circuits 4a to 4d, the SFQ logic circuit 6, the details of the photon detection unit, and the comparator circuit are described in detail for the superconducting strip line 1, the JTL circuit 4 in the photon detection device 10, Since it is the same as the SFQ logic circuit 6, the photon detector, and the comparator circuit, the description of the individual configuration and operation is omitted.
超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄは、光導波路８ｂ上に形成される。光導波路８ｂとしては、例えば、公知のシリコン導波路等から構成される。
光導波路８ｂは、例えば、図中下端側から光ファイバ等の光供給源により光が導入され、矢印方向に光が導波可能とされる。光導波路８ｂ内に導波される光は、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに入射されることとなる。
このように構成すると、例えば、光供給源から光子を出射して、直接、超伝導ストリップ線１ａに光子を入射させるよりも、高い確率で超伝導ストリップ線１ａに光子を入射させることができる。
Superconducting strip lines 1a to 1d are formed on optical waveguide 8b. As the optical waveguide 8b, for example, a known silicon waveguide is used.
For example, light is introduced into the optical waveguide 8b from the lower end side in the drawing by a light supply source such as an optical fiber so that light can be guided in the direction of the arrow. The light guided into the optical waveguide 8b is incident on the superconducting strip lines 1a to 1d.
With this configuration, for example, it is possible to cause a photon to be incident on the superconducting strip line 1a with higher probability than emitting a photon from a light supply source and directly entering the photon into the superconducting strip line 1a.
また、光導波路８ｂ上には、４つに分割された超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄが配される。
これら超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに代えて、１本の長大な超伝導ストリップ線を配する場合、１０μｍ程度の長さで約９０％の光子吸収率を実現することができ、１μｍ短くなるごとに光子吸収率が１ｄＢずつ低下する。
しかしながら、このような長大な超伝導ストリップ線を用いると、超伝導ループにおける電流感度が低下することがある。磁束が作るループ電流ＩＬの大きさは、次式、ＩＬ＝Φ／Ｌで表される。式中、Φは、単一磁束量子；２×１０−１５Ｗｂを示し、Ｌは、超伝導ストリップ線のインダクタンスを示す。ＪＴＬ回路の磁束検出感度として、ＩＬは、一定以上の値であることが求められるが、超伝導ストリップ線が長いとＬが大きくなる。
そのため、図４に示すように長さが比較的短い超伝導ストリップ線（１ａ〜１ｄ）を光導波路８ｂの光導波方向に沿って複数配し、これら長さが短い超伝導ストリップ線全体で長さが長い１本の超伝導ストリップ線の役割を担わせることが有利となる。
In addition, superconductive strip lines 1a to 1d divided into four are disposed on the optical waveguide 8b.
When one long superconducting strip line is arranged in place of the superconducting strip lines 1a to 1d, a photon absorption rate of about 90% can be realized with a length of about 10 μm, and the length becomes shorter by 1 μm. The photon absorption rate decreases by 1 dB.
However, when such a long superconducting strip line is used, the current sensitivity in the superconducting loop may be reduced. The magnitude of the loop current I L generated by the magnetic flux is expressed by the following formula, I L = Φ / L. Where Φ is a single flux quantum; 2 × 10 −15 Wb, and L is the inductance of the superconducting stripline. As the magnetic flux detection sensitivity of JTL circuit, I L is determined to be above a certain value, L is large superconducting strip line is long.
Therefore, as shown in FIG. 4, a plurality of superconducting strip lines (1a to 1d) having a relatively short length are arranged along the optical waveguide direction of the optical waveguide 8b, and the entire superconducting strip line having a short length is long. It is advantageous to play the role of one long superconducting strip line.
光子検出装置５０では、個々の超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに対応して光子検出部（不図示）とＪＴＬ回路（ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ）が複数配され、更に、個々のＪＴＬ回路４ａ，４ｂから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ａ，同様に個々のＪＴＬ回路４ｃ，４ｄから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ｂが配され、更に、個々のＣＢ回路７ａ，７ｂから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ｃが配される。超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ，ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ，ＣＢ回路７ａ〜７ｃ，ＳＦＱ論理回路６及び光導波路８ｂで１つのモノシリックな光検出アレイ９を構成する。
各ＣＢ回路７ａ〜７ｃとしては、公知のＳＦＱ回路に用いられる回路構成から適宜選択して構成することができる。
なお、基板８ａとしては、例えば、酸化シリコン基板等の公知の基板を用いることができる。また、ＳＦＱ論理回路６から出力されるデジタルデータは、図示しないケーブル等により、室温環境下のデバイスまで伝送される。
In the photon detection device 50, a plurality of photon detection units (not shown) and JTL circuits (JTL circuits 4a to 4d) are arranged corresponding to the individual superconducting strip lines 1a to 1d, and further, the individual JTL circuits 4a and 4b are arranged. CB circuit 7a to which the respective output signals output from are integrated and input, as well as CB circuit 7b to which the respective output signals output from the individual JTL circuits 4c and 4d are input in an integrated manner are arranged. Furthermore, a CB circuit 7c is provided in which output signals output from the individual CB circuits 7a and 7b are integrated and input. The superconducting strip lines 1a to 1d, the JTL circuits 4a to 4d, the CB circuits 7a to 7c, the SFQ logic circuit 6 and the optical waveguide 8b constitute one monolithic photodetector array 9.
Each of the CB circuits 7a to 7c can be configured by appropriately selecting from circuit configurations used for known SFQ circuits.
For example, a known substrate such as a silicon oxide substrate can be used as the substrate 8a. The digital data output from the SFQ logic circuit 6 is transmitted to a device in a room temperature environment by a cable or the like (not shown).
このように構成される光子検出装置５０では、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄの少なくともいずれかで光子を吸収することができれば、これを検出することができ、飛躍的に光子の検出効率を向上させることができる。 In the photon detection device 50 configured as described above, if photons can be absorbed by at least one of the superconducting strip lines 1a to 1d, this can be detected, and the detection efficiency of photons can be dramatically improved. be able to.
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態の概要を示す説明図である。
図５に示す光子検出装置１００は、図４に示す光子検出装置５０における光子検出アレイ９が同一基板上に複数配されたモノシリックデバイスとして構成とされる。これ以外は、光子検出装置５０と同様であるため、説明を省略する。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of the second embodiment of the present invention.
A photon detection device 100 shown in FIG. 5 is configured as a monolithic device in which a plurality of photon detection arrays 9 in the photon detection device 50 shown in FIG. 4 are arranged on the same substrate. Other than this, since it is the same as the photon detection device 50, the description is omitted.
このような光子検出装置１００によれば、独立した光ファイバ等の光供給源からの光子を各光子検出アレイ９で独立して検出することができ、複数の情報源からの通信信号を処理することができる。例えば、量子もつれ量子暗号通信の基本的なセットアップである、偏光（４）×二波長多重化（２）×送受信（２）のセットアップでは、合計１６の通信信号を独立して処理することが求められるが、光子検出アレイ９を同一基板上に１６アレイ配することとすれば、こうした通信分野にも適用することができる。 According to such a photon detection device 100, photons from light sources such as independent optical fibers can be detected independently by each photon detection array 9, and communication signals from a plurality of information sources are processed. be able to. For example, in the setup of polarization (4) × double wavelength multiplexing (2) × transmission / reception (2), which is a basic setup of quantum entangled quantum cryptography communication, it is required to process a total of 16 communication signals independently However, if 16 photon detection arrays 9 are arranged on the same substrate, the present invention can be applied to such a communication field.
１，１ａ〜１ｄ 超伝導ストリップ線
２ 電流源
３ 超伝導配線
４，４ａ〜４ｄ ＪＴＬ回路
５ａ，５ｂ ジョセフソン接合配線
６ ＳＦＱ論理回路
７ａ〜７ｃ ＣＢ回路
８ａ 基板
８ｂ 光導波路
９ 光子検出アレイ
１０，５０，１００ 光子検出装置
1, 1a to 1d Superconducting strip line 2 Current source 3 Superconducting wiring 4, 4a to 4d JTL circuit 5a, 5b Josephson junction wiring 6 SFQ logic circuit 7a to 7c CB circuit 8a Substrate 8b Optical waveguide 9 Photon detection array 10, 50,100 photon detector
Claims (6)
光子検出時に前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を検出可能な単一磁束量子コンパレータ回路とを有し、
前記バイアス電流供給手段が、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流す手段であることを特徴とする光子検出装置。 A photon detector having a long plate-like superconducting strip line whose plate surface is a photon detecting surface and a bias current supplying means for supplying a bias current to the superconducting strip line;
A single flux quantum comparator circuit capable of detecting a magnetic flux scattered from the superconducting strip line at the time of photon detection,
The bias current supply means is means for flowing the bias current having a value greater than 0% and less than 60% to the superconducting strip line with respect to a critical current value of the superconducting strip line. Photon detector.
前記超伝導ストリップ線と前記超伝導配線と前記ジョセフソン接合配線とで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される請求項１に記載の光子検出装置。 The single magnetic flux quantum comparator circuit has at least a Josephson junction wiring having a Josephson junction in the wiring, and a superconducting wiring for electrically connecting the Josephson junction wiring and the superconducting strip line,
2. The photon detection device according to claim 1, wherein a superconducting loop capable of detecting a magnetic flux is constituted by the superconducting strip line, the superconducting wiring, and the Josephson junction wiring.
バイアス電流を超伝導ストリップ線に流した状態で検出面に前記光子を入射させ、前記光子の入射により前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を単一磁束量子コンパレータ回路で検出することで、前記光子を検出することとし、かつ、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流すことを特徴とする光子検出方法。 A photon detection method for detecting photons using the photon detection device according to claim 1,
The photon is incident on the detection surface in a state where a bias current is applied to the superconducting strip line, and a magnetic flux scattered from the superconducting strip line due to the incidence of the photon is detected by a single magnetic flux quantum comparator circuit. And a bias current having a value greater than 0% and less than 60% with respect to the critical current value of the superconducting strip line is caused to flow through the superconducting strip line. Detection method.
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|---|---|---|---|---|
| WO2020105732A1 (en) * | 2018-11-22 | 2020-05-28 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | Nonlinear microwave filter |
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