JP5846626B2 - Superconducting single photon detection system and superconducting single photon detection method - Google Patents

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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。   The present invention relates to a superconducting single photon detection system and a superconducting single photon detection method using a superconducting single photon detector.

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。   Superconducting single photon detector (SSPD) is a high sensitivity, low noise and high speed operation single photon detector in various fields such as quantum information communication and quantum optics. The use to is expected. In particular, a superconducting single-photon detection system in which SSPD is mounted in a closed cycle refrigerator is a practically effective system because it can stably achieve extremely low temperatures (about 3K) and can operate continuously. (For example, refer nonpatent literatures 1 and 2). A detection element called a nanowire is used as a detection element for detecting a single photon in SSPD. The nanowire uses a niobium nitride wiring made of, for example, niobium nitride (NbN) in a superconducting state, and the light receiving portion is configured by forming the nanowire in a meander shape (meandering shape) on the light receiving surface.

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。   In such a superconducting single-photon detection system using SSPD, a single pixel element that can obtain one output by using one light receiving unit for one light input is generally used. In such a superconducting single photon detection system using a single pixel element, the photon detection efficiency of the system is about 10 to 20%, the dark count is about 100 Hz, the response speed is about 50 MHz, and the jitter is about 100 ps. Yes.

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。   Here, in order to achieve high optical coupling efficiency between the incident photons and the SSPD, a sufficiently large light receiving area must be ensured with respect to the spot diameter (about 9 μm) of the light incident on the SSPD, and about 15 μm. A light receiving area of about the corner is required. On the other hand, when the light receiving area of one SSPD is increased, the length of the nanowire is increased, so that the number of defects in the nanowire is increased and the device performance is deteriorated. Further, when the length of the nanowire is increased, the inductance of the nanowire increases. Accordingly, the time constant (inductance / resistance value) depending on the inductance of the nanowire increases, and the speed of the signal transmitted through the nanowire becomes slow. As a result, the response speed decreases.

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。   As a solution to such a problem, a configuration is known in which a predetermined light receiving area is divided into a plurality of light receiving portions (a plurality of pixels) (see, for example, Non-Patent Document 3). The nanowire length per pixel can be shortened by dividing the light receiving area into multiple parts while ensuring the light receiving area for achieving high optical coupling efficiency. That is, it is possible to prevent deterioration in device performance and response speed while achieving high optical coupling efficiency.

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。   As described above, in order to operate SSPD with superconductivity, it is necessary to mount SSPD in a refrigerator. In addition, it is necessary to supply a bias current to SSPD from the outside. For this reason, the conventional coaxial cable, which is the AC signal transmission path, is extended from the refrigerator to the outside and connected to the signal readout circuit, and the bias current is applied to the exposed coaxial cable via the bias tee (Bias Tee). The bias path to be supplied is connected. FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration example when a plurality of superconducting single photon detectors are used in a conventional superconducting single photon detection system. As shown in FIG. 8, in the prior art, the same number of coaxial cables as SSPDs 121 to 124 from the refrigerator 105 in which the SSPD array 102 composed of a plurality of SSPDs 121 to 124 irradiated with photons from the photon source 104 is mounted. 141 to 144 are exposed to the outside. The bias tees T101 to T104 include capacitors C101 to C104 connected in series to the respective coaxial cables 141 to 144 and inductors L101 to L104 connected to wirings (bias paths) 151 to 154 branched from the respective coaxial cables 141 to 144. It has. Bias paths 151 to 154 connected to the inductors L101 to L104 are connected to voltage sources 171 to 174 for bias current, and the bias current from the voltage sources 171 to 174 passes through the bias paths 151 to 154 and the coaxial cables 141 to 144. To be supplied to each SSPD 121-124.

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。   As described above, in the conventional configuration, the plurality of coaxial cables 141 to 144 connecting the plurality of SSPDs 121 to 124 in the cryogenic refrigerator 105 and the signal readout circuit (not shown) at room temperature are cryogenic. -Since it connects between room temperature, the heat | fever inflow into the refrigerator 105 via the said coaxial cables 141-144 will become large. In particular, when the number of SSPDs 121 to 124 is increased, the number of coaxial cables 141 to 144 to be connected increases accordingly, so that the heat inflow amount becomes larger and the cryogenic state in the refrigerator 105 is maintained. It becomes difficult and the SSPD array cannot be brought into a superconducting state.

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。   Therefore, a system system (ie, a superconducting single flux quantum circuit (hereinafter sometimes abbreviated as a superconducting SFQ circuit)) that can perform a logical operation in a cryogenic environment as a signal readout circuit. , SSPD, coaxial cable, and signal reading circuit) can all be mounted in the refrigerator (see, for example, Patent Document 1). Even in this case, when the conventional connection method as shown in FIG. 8 is followed, it is necessary to attach a bias tee inside the refrigerator.

特開2009−232311号公報JP 2009-232311 A

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).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, 2010S. 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, 2007EADauler, AJ Kerman, BS Robinson, JKW Yang, B. Voronov, G. Gol'tsman, SA Hamilton, and KK 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。   However, since the size of the bias tee per unit is usually as large as 3 cm square, a practical refrigerator that can drive a plurality of bias tees required for a plurality of coaxial cables with a small AC100V power supply ( For example, it is difficult to mount in a GM refrigerator. On the other hand, when the refrigerator is enlarged, it is difficult to reduce the size and cost of the system. In addition, it is conceivable to form capacitors and inductors constituting a bias tee on an IC chip constituting an SSPD or SFQ circuit, but in order to realize a general bias tee (capacitance of about 0.2 μF and inductance of about 1 mH). Is not realistic because it requires a large area. In the future, in order to realize a large-scale SSPD array, it is an important issue whether the SSPD array and the SFQ circuit can be connected to a small refrigerator having a limited cooling capacity.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems. A superconducting single-photon detection system and a superconducting system that can miniaturize the system while maintaining a stable cryogenic temperature and achieve high performance. An object is to provide a single photon detection method.

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。   A superconducting single photon detection system according to an embodiment of the present invention includes a superconducting single photon detector operated by a bias current, and a load resistance element for a detection signal output from the superconducting single photon detector. A superconducting single-flux quantum circuit that converts to a single-flux quantum signal using a converter and performs arithmetic processing, and between the superconducting single-photon detector and the superconducting single-flux quantum circuit Are connected by an AC signal transmission path, a bias current path for supplying the bias current to the superconducting single photon detector is connected to the AC signal transmission path via a high impedance element, and the high impedance element is The impedance at high frequency is configured to be higher than the impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit.

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。   According to the above configuration, the bias current path is connected through the high impedance element between the connection between the superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit, and the superconducting single photon detector is operated. Are supplied to the superconducting single photon detector via the bias current path, the high impedance element, and the AC signal transmission path. Here, since the superconducting single photon detector is in a superconducting state during operation, and has an extremely low resistance (about 0Ω), the superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit are Even if no capacitor is provided between them, the bias current flows to the superconducting single photon detector side having a resistance value lower than that of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit. In addition, the high impedance element prevents the detection signal from the superconducting single photon detector from proceeding to the bias current path because the impedance at high frequency is higher than the impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit. Can do. In this way, the bias current path can be connected to the superconducting single photon detector with only a simple resistance element without using a bias tee, and the number of pixels can be increased by a plurality of superconducting single photon detectors. . Therefore, the system can be miniaturized while maintaining the cryogenic temperature stably, and high performance (high detection efficiency and high-speed response) can be obtained.

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。   The superconducting single photon detector, the superconducting single flux quantum circuit, the AC signal transmission path, and the high impedance element may be mounted in a refrigerator. This makes it possible to significantly reduce the number of AC signal transmission paths introduced from room temperature, which can cause heat intrusion, so that a stable cryogenic temperature can be realized regardless of the number of superconducting single photon detectors. Can do.

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。   The superconducting single photon detection system includes a plurality of superconducting single photon detectors, a plurality of superconducting single flux quantum circuits provided corresponding to the plurality of superconducting single photon detectors, and A plurality of the AC signal transmission paths and a plurality of the high impedance elements provided corresponding to the plurality of AC signal transmission paths may be provided. According to this, the number of pixels can be increased by a plurality of superconducting single photon detectors.

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。   Further, the bias current path may be configured to supply the bias current from one current source to the plurality of high impedance elements. Thus, even when a plurality of superconducting single photon detectors are provided, one bias current path is introduced into the refrigerator, and is connected to the high impedance element corresponding to each superconducting single photon detector in the refrigerator. The route can be branched. Therefore, the inflow of heat into the refrigerator can be further suppressed.

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。   The superconducting single-photon detector may include a superconducting nanowire detection element that detects a single photon, and the high-impedance element may be composed of a nanowire having a narrower line width than the superconducting nanowire detection element. As a result, the high impedance element can be manufactured by the same process as that for manufacturing the superconducting single photon detector, so that the manufacturing cost and the number of manufacturing steps can be reduced. Also, a high impedance element can be realized with a small area.

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。   According to another aspect of the present invention, there is provided a superconducting single photon detection method comprising: detecting a single photon by supplying a bias current to a superconducting single photon detector through a bias current path; The single photon is output as a detection signal, transmitted to the superconducting single flux quantum circuit through the AC signal transmission path, converted into a single flux quantum signal using a converter having a load resistance element, and then processed. The bias current is supplied to the superconducting single photon detector through a bias current path connected to the AC signal transmission path via a high impedance element, the high impedance element comprising: The impedance at high frequency is higher than the impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit.

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。   According to the above method, the bias current path is connected to the AC signal transmission path between the superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit via the high impedance element, and the superconducting single photon detector Is supplied to the superconducting single photon detector via the bias current path, the high impedance element, and the AC signal transmission path. Here, since the superconducting single photon detector is in a superconducting state during operation, and has an extremely low resistance (about 0Ω), the superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit are Even if no capacitor is provided between them, the bias current flows to the superconducting single photon detector side having a resistance value lower than that of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit. In addition, the high impedance element prevents the detection signal from the superconducting single photon detector from proceeding to the bias current path because the impedance at high frequency is higher than the impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit. Can do. In this way, the bias current path can be connected to the AC signal transmission path between the superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit by using only a simple resistance element without using a bias tee. The number of pixels can be increased by a plurality of superconducting single photon detectors. Therefore, the system can be downsized while maintaining a very low temperature, and high photon detection accuracy can be obtained.

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。   The present invention is configured as described above, and produces an effect that the system can be miniaturized while maintaining a very low temperature and high performance (high detection efficiency and high speed response) can be obtained.

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。FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the first embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the SSPD and SFQ circuit of the superconducting single photon detection system shown in FIG. 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。FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the second embodiment of the present invention. 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。FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the third embodiment of the present invention. 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。FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the fourth embodiment of the present invention. 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。FIG. 6 is a graph showing measurement results of changes in photon detection efficiency and dark count with respect to the SSPD bias current in the example of the present invention. 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。FIG. 7 is a graph showing measurement results for jitter in the example of the present invention. 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。FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration example when a plurality of superconducting single photon detectors are used in a conventional superconducting single photon detection system.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description thereof is omitted.

<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。
<First Embodiment>
First, the superconducting single photon detection system according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the superconducting single photon detection system 1 of the present embodiment includes a superconducting single photon detector (SSPD) 21 to 24 operated by a bias current and superconducting single photon detectors 21 to 21. 24 includes a superconducting single flux quantum circuit (SFQ circuit) 30 that converts the detection signal output from 24 into single flux quanta by the converters 31 to 34 and performs signal processing by the output conversion circuit 35.

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。   In the present embodiment, the SSPD chip 2 is provided with a plurality (four) of SSPDs 21 to 24 to form an SSPD array 20. The superconducting single photon detection system 1 includes a photon source 4 that emits photons toward the SSPD array 20. As described above, since the SSPD array 20 formed on one SSPD chip 2 can receive photons from the photon source 4, a multi-pixel light receiving element is formed for one photon input. Can do. Therefore, the light receiving area per pixel can be reduced, and the detection efficiency and response speed can be increased. In addition, since the multi-pixel arrangement can enhance the spatial resolution and the ability to discriminate the number of photons (the pseudo number of photons input), it can be expected to be used for quantum optics experiments and quantum information communication.

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。   The SFQ circuit 30 is provided on the SFQ chip 3. Specifically, the SFQ circuit 30 is provided corresponding to each of the SSPDs 21 to 24, and converts the detection signals output from the superconducting single photon detectors 21 to 24 into SFQ pulse signals, respectively (MC− DC / FSQ converter (Mutual Coupling-DC / FSQ Converter) 31-34, output conversion circuit 35 for converting weak SFQ pulse signals converted by converters 31-34 into observable pulse signals, and output conversion circuit And a SQUID driver 36 that generates an output signal by increasing the pulse width of the voltage pulse output from the S35.

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。   The SSPDs 21 to 24 and the converters 31 to 34 of the SFQ circuit 30 are connected by the number of AC signal transmission paths (high-frequency signal transmission paths) corresponding to the SSPD. Specifically, coaxial lines (SSPD coaxial lines) 241 to 244 provided on the SSPD chip 2 are connected to the SSPDs 21 to 24. In addition, coaxial lines (SFQ coaxial lines) 341 to 344 provided in the SFQ chip 3 are connected to the converters 31 to 34 of the SFQ circuit 30. The coaxial cables 41 to 44 are connected between the SSPD coaxial lines 241 to 244 and the SFQ coaxial lines 341 to 344. That is, the AC signal transmission path is a concept including coaxial lines 241 to 244 and 341 to 344 and coaxial cables 41 to 44 provided on the chips 2 and 3.

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。   In the AC signal transmission path (SFQ coaxial lines 341 to 344 in the present embodiment), bias current paths (DC paths) 51 to 54 for supplying a bias current to the SSPDs 21 to 24 are respectively connected via the high impedance elements 61 to 64. Connected. That is, one end of the high impedance elements 61 to 64 is connected to the SFQ coaxial lines 341 to 344, and the other end of the high impedance elements 61 to 64 is connected to the bias paths 51 to 54. The high impedance elements 61 to 64 are configured such that the impedance at high frequency is higher than the impedance of the load resistance element Rr provided in each of the converters 31 to 34 of the SFQ circuit 30. The impedance at high frequency specifically means the resistance value in the resistance element or the inductance in the inductor. The high impedance elements 61 to 64 are provided on the SFQ chip 3. Bias current sources 71 to 74 are connected to the bias current paths 51 to 54 via resistance elements 81 to 84. Specifically, a bias current determined by a voltage applied from the bias current sources 71 to 74 to the resistance elements 81 to 84 is supplied to the SSPDs 21 to 24.

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。   The SSPD chip 2 and the SFQ chip 3 are mounted in the refrigerator 5. That is, the SSPD array 20, the SFQ circuit 30, the AC signal transmission path, and the high impedance elements 61 to 64 are mounted in the refrigerator 5. The bias current paths 51 to 54 extend from the refrigerator 5 to the outside and are connected to resistance elements 81 to 84 and current sources 71 to 74 provided outside the refrigerator 5. As the refrigerator 5, for example, a small GM (Gifford-McMahon) refrigerator is preferably used.

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。   According to the above configuration, the bias current paths 51 to 54 are connected to the coaxial cables 41 to 44 between the SSPDs 21 to 24 and the SFQ circuit 30 via the high impedance elements 61 to 64, respectively. A bias current is supplied to the SSPDs 21 to 24 via the bias current paths 51 to 54, the high impedance elements 61 to 64, and the coaxial cables 41 to 44. Here, since the SSPDs 21 to 24 are in a superconducting state during operation, they have extremely low resistance (about 0Ω). Therefore, even if a capacitor is not provided between the SSPDs 21 to 24 and the SFQ circuit 30, the bias current flows to the SSPDs 21 to 24 side having a lower resistance value than the load resistance element Rr of the SFQ circuit 30. In addition, since the high impedance elements 61 to 64 have an impedance at a high frequency higher than the impedance of the load resistance element Rr of the SFQ circuit 30, the detection signals from the SSPDs 21 to 24 are prevented from proceeding to the bias current paths 51 to 54. A detection signal can be efficiently transmitted to the circuit 30. As described above, by using the simple resistive elements 61 to 64 in the SFQ chip 3 or the SSPD chip 2 without using a bias tee, it is possible to cause the bias current to flow through the SSPDs 21 to 24. Multiple pixels can be achieved.

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。   Further, as described above, the SSPDs 21 to 24 and the SFQ circuit 30 can be connected in the refrigerator 5 through the AC signal transmission path. As a result, the number of coaxial cables introduced from room temperature can be reduced, and heat inflow from the room temperature side can be dramatically reduced. Although the bias current paths 51 to 54 extend outside the refrigerator 5, the refrigerators via the lead wires in the bias current paths 51 to 54 that are direct current paths are compared with the coaxial cables 41 to 44. The penetration of heat into 5 is sufficiently small. Therefore, a stable cryogenic temperature can be realized regardless of the number of SSPDs 21 to 24. As described above, the system can be downsized while maintaining a very low temperature, and high photon detection accuracy can be obtained.

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。   In addition, the high impedance elements 61 to 64 in the present embodiment are formed by resistance elements using metal thin films that can be manufactured by a conventional process. However, the present invention is not limited to this as long as it is an element having a higher impedance with respect to the detection signals output from the SSPDs 21 to 24 than the load resistance element Rr, and may be configured with, for example, an inductor.

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。   When the impedance of the load resistance element Rr of the SFQ circuit 30 is 50Ω, the impedance of the high impedance elements 61 to 64 may be about 5 kΩ, for example. The impedance of the resistance elements 81 to 84 is, for example, about 100 kΩ.

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。   Hereinafter, more specific configurations of the SSPDs 21 to 24 and the SFQ circuit 30 will be described. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the SSPD and SFQ circuits of the superconducting single photon detector array system shown in FIG. In FIG. 2, only one SSPD 21 is clearly shown, and the other SSPDs 22 to 24 and corresponding configurations are not shown.

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。   The SSPD 21 includes a superconducting nanowire detection element 7 that detects a single photon. The superconducting nanowire detection element 7 is formed by stacking niobium nitride (NbN) in a meander shape (meandering shape) on the surface of a magnesium oxide (MgO) substrate. For example, it is formed at a predetermined pitch with a line width of several tens to several hundreds of nanometers, cooled using the refrigerator 5, and used in a superconducting state. The light receiving area of the light receiving surface including the superconducting nanowire detection element 7 is appropriately determined depending on the intended use of the SSPD 21 and the number of SSPDs constituting the SSPD array 20. For example, if the light receiving area of the light receiving surface is 5 × 5 μm square, photon detection efficiency can be increased.

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。   The current source 71 and the resistance element 81 are set to have a current value and a resistance value so that a predetermined bias current slightly below the critical current flows through the superconducting nanowire detection element 7. In such a configuration, when a photon P (single photon) is incident on the superconducting nanowire detection element 7, energy exceeding the energy gap is supplied at the location where the photon P is incident, and a normal conduction region (high resistance region) called a hot spot. Will occur. In this case, at this location, current flows intensively on both sides in the width direction of the hot spot in the superconducting nanowire detection element 7 so as to bypass the hot spot.

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。   Then, the current flowing around the hot spot exceeds the critical current, and both side portions in the width direction of the hot spot are in a normal conduction state. That is, a normal conduction region is temporarily formed over the entire width direction of the superconducting nanowire detection element 7 at the location. In this way, the resistance of the superconducting nanowire detection element 7 changes in response to the incidence of the photon P on the superconducting nanowire detection element 7. At this time, the bias current from the current source 71 flows to the converter 31 side of the SFQ circuit 30. Accordingly, since the voltage applied to the SSPD 21 changes based on such resistance change, the incident photon P is appropriately detected as a detection signal (voltage signal). The detection signal is transmitted to the converter 31 of the SFQ circuit 30 via the coaxial cable 41.

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。   The high-frequency impedance of the high impedance elements 61 to 64 is set to a value higher than that of the load resistance element Rr of the SFQ circuit 30.

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。   The converter 31 is configured to convert the detection signal output from the SSPD 21 into a single magnetic flux quantum and output it. Specifically, a primary coil L1 connected in series to the AC signal transmission path (coaxial cable 41 and coaxial lines 241 and 341) and the load resistance element Rr, and a secondary coil arranged so as to be mutually inductible with the primary coil L1. L2. A pair of Josephson junctions J1 and J2 are connected to the secondary coil L2, and the pair of Josephson junctions J1 and J2 constitute a superconducting quantum interference photon (SQUID).

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。   The detection signal output from the SSPD 21 is mutually induced from the primary coil L1 to the secondary coil L2, and converted into magnetic flux. The SQUID is biased to a level below the critical current by the current source 6 and the first resistance element R1. Therefore, when no detection signal is transmitted, no magnetic flux is generated in the SQUID, so the voltage generated at both ends of the SQUID is 0V. On the other hand, when a detection signal is transmitted and a magnetic flux is generated in the SQUID by mutual induction from the primary coil L1 to the secondary coil L2, the current flowing through the Josephson junction J2 exceeds the critical current value, and the flux quantum (SFQ: Single Flux Quantum) ) Occurs in the left and right SQUID loops (including coils L2 and L3) including Josephson junction J2. The SFQ generated in the SQUID loop including the coil L3 switches the Josephson junction J5 to disappear, and further generates the SFQ in the SQUID loop including the right coils L4 and L5. Hereinafter, the SFQ propagates in the circuit by the Josephson junction repeating the switches in a ladder manner. An SFQ propagation circuit in which the SQUID loops are cascade-connected is generally called a Josephson Transmission Line (JTL). The propagation of magnetic flux quantum always involves a Josephson junction switch, which is electrically equivalent to the propagation of a voltage pulse (SFQ pulse) having a width of 4 to 5 ps and a voltage intensity of 0.4 to 0.5 mV. It is.

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)。   The SFQ pulse S1 output from the converter 31 is input to the output conversion circuit 35. The output conversion circuit 35 has a ring oscillator 9 that oscillates with the SFQ pulse S 1 output from the converter 31 as a trigger, and a counter 8 that counts a plurality of SFQ pulses oscillated from the ring oscillator 9. ing. The counter 8 is composed of, for example, a plurality of T flip-flops. The ring oscillator 9 is configured by connecting JTLs in a ring shape. Outputs (SFQ pulses S2 to S4) of converters (not shown) corresponding to the other SSPDs 22 to 24 are also input to the output conversion circuit 35 (the outputs S1 to S4 of a plurality of converters are one output conversion). Input to the circuit 35).

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。   The SFQ circuit 30 also has an arithmetic circuit (not shown) that performs a predetermined arithmetic processing by collecting the observable voltage pulse signals converted by the output conversion circuit 35 into one. The configuration of the arithmetic circuit is appropriately determined depending on an apparatus to which the superconducting single photon detection system 1 is applied. For example, in an apparatus to which the superconducting single photon detection system 1 is applied for the purpose of quantum key distribution, an OR logic circuit that merges a plurality of inputs into one output is applied as an arithmetic circuit. Further, when applied to an imaging sensor, it may be configured to include a storage unit that temporarily holds the result of the counter 8 as an arithmetic processing circuit, and a reading circuit that reads serially at a predetermined timing.

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。   The SFQ pulse output from the output conversion circuit 35 is input to the SQUID driver 36 for obtaining about 2 mV as the output voltage level. The SQUID driver 36 is composed of, for example, an RS flip-flop magnetically coupled to a SQUID loop in which a plurality of SQUIDs are connected in series. In the present embodiment, the output of the converter 31 is input to the set terminal S of the SQUID driver 36, and the output of the counter 8 is input to the reset terminal R. Currents are supplied from the individual current sources 6 to the converters 31 to 34, the output conversion circuit 35, and the SQUID driver 36, and each circuit is driven by these currents. The current source 6 may be a common current source.

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。   In the present embodiment, the output of the converter 31 is directly input to the set terminal S of the SQUID driver 36 to simplify the description, but the present invention is not limited to this. For example, the output of the signal processing circuit as described above may be input to the set terminal S.

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。   The SFQ pulse S1 output from the converter 31 is very weak (has a short pulse width and a small voltage level), so that it can be output as a signal that can be used in subsequent circuits and systems. The output conversion circuit 35 and the SQUID driver 36 perform amplification (both pulse width and voltage level are amplified). For example, the SFQ pulse S1 having a pulse width of 4 to 5 ps and a voltage level of about 0.4 to 0.5 mV (peak value) is amplified to a pulse width of about 1 ns and a voltage level (peak value) of about 2 mV.

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)。   Specifically, when the SFQ pulse S1 is input to the set terminal S of the SQUID driver 36, an output signal start trigger is generated (the output signal rises). Thereafter, when a predetermined number of SFQ pulses from the ring oscillator 9 are counted in the counter 8, the output from the counter 8 is input to the reset terminal R of the SQUID driver 36, which serves as a termination trigger for the output signal (falling of the output signal). Thus, the output signal output from the SQUID driver 36 is output outside the refrigerator 5 via the coaxial cable 37 (see FIG. 1).

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。   As described above, the coaxial cable introduced into the refrigerator 5 is only the coaxial cable 37 that transmits the output signal of the SQUID driver 36. The number (one) of the coaxial cables 37 is not related to the number of SSPDs 21 to 24 (number of pixels). For example, if an attempt is made to realize a 10,000 pixel SSPD array in the conventional configuration, 10,000 coaxial cables will extend outside the refrigerator, but according to this embodiment, only one coaxial cable 37 is frozen. It will extend out of the machine 5. Therefore, even if the number of pixels is increased, it is possible to effectively prevent an increase in the amount of heat entering the refrigerator 5.

<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。
Second Embodiment
Next, a superconducting single photon detection system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The superconducting single photon detection system 1B of this embodiment is different from the superconducting single photon detection system 1 of the first embodiment in that a bias current path 50 is provided from one current source 70 as shown in FIG. The bias current is configured to be supplied to the plurality of high impedance elements 91 to 94. More specifically, after the bias current path 50 is integrated into one in the refrigerator 5, the bias current path 50 extends to the outside of the refrigerator 5 and is connected to a current source 70 at room temperature.

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。   Accordingly, even when a plurality of SSPDs 21 to 24 are provided, one bias current path 50 is introduced into the refrigerator 5 and is connected to the high impedance elements 91 to 94 corresponding to the respective SSPDs 21 to 24 in the refrigerator 5. The route can be branched. Therefore, the inflow of heat into the refrigerator 5 can be further suppressed.

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。   Further, in the present embodiment, high impedance elements 91 to 94 are provided in the SSPD chip 2B. That is, the high impedance elements 91 to 94 are connected to the SSPD coaxial lines 241 to 244. In this case, the high impedance elements 91 to 94 may be configured by nanowires having a narrower line width than the superconducting nanowire detection element 7. For example, by making the line width of the high impedance elements 91 to 94 thinner than the line width of the superconducting nanowire detection elements 7 of the SSPDs 21 to 24, the critical current value of the nanowires used in the high impedance elements 91 to 94 is increased. It becomes smaller than the bias current flowing through the superconducting nanowire detection elements 7 of the SSPDs 21 to 24 via the impedance elements 91 to 94. That is, since a current exceeding the critical current always flows through the nanowires in the high impedance elements 91 to 94 by flowing a bias current, the nanowire is in a normal conduction state even at an extremely low temperature. Therefore, the nanowire can be used as a resistance element having a relatively high sheet resistance. For example, when the line width of the superconducting nanowire detection element 7 of the SSPDs 21 to 24 is 100 nm, the line width of the nanowires of the high impedance elements 91 to 94 may be about 50 nm. When the sheet resistance of such a nanowire is 500Ω (for example, an NbN thin film having a thickness of 4 mm), a nanowire having a length of 10 μm can be formed and used as a resistance element of 100 kΩ. When the nanowire is manufactured in a meander shape, a high impedance element of 100 kΩ can be realized within an area of 2 μm × 0.45 μm (2 μm length is folded five times). Thus, the high impedance elements 91 to 94 having a very small area and a high resistance component can be manufactured on the chip 2B.

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。   Thus, since it becomes possible to produce the high impedance elements 91-94 by the same process as the process of producing the SSPD 21-24 on the SSPD chip 2, it is possible to reduce the manufacturing cost and the number of manufacturing steps.

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。   Moreover, the high impedance elements 91-94 are comprised as variable resistance instead of providing the resistive elements 81-84 in 1st Embodiment.

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。   The SSPDs 21 to 24 are formed of nanowires (superconducting nanowire detection element 7) as described in the first embodiment. When the nanowire is formed, an error occurs in the optimum current bias value of the nanowire depending on the yield in the manufacturing process. Therefore, the bias current supplied to the SSPDs 21 to 24 may be set to a different value for each of the SSPDs 21 to 24. Therefore, the high impedance elements 91 to 94 are configured as variable resistors so that different bias currents can be set by one current source 70. Further, in this case, since the impedance of the high impedance elements 91 to 94 needs to set a bias current with its own impedance, it is preferable to have an impedance higher than that of the high impedance elements 91 to 94 in the first embodiment. For example, when the load resistance element Rr of the SFQ circuit 30 is 50Ω, the high impedance elements 91 to 94 preferably have an impedance based on about 100 kΩ.

<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。
<Third Embodiment>
Next, a superconducting single photon detection system according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same components as those of the second embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The superconducting single photon detection system 1C of this embodiment is different from the superconducting single photon detection system 1B of the second embodiment, as shown in FIG. 4, in which the SSPD array 20, the SFQ circuit 30, and the high impedance element 91 are used. ˜94 are provided on one chip 2C. For this reason, the SSPDs 21 to 24 and the converters 31 to 34 of the SFQ circuit 30 are connected only by the coaxial lines 241 to 244 formed on the chip 2C. As a result, the entire superconducting single photon detection system 1C is formed on one chip 2C, and a coaxial cable between the SSPDs 21 to 24 and the SFQ circuit 30 is not required, thereby making the manufacturing process more efficient and simplified. Can be In addition, the superconducting single photon detection system itself can be further miniaturized.

<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。
<Fourth embodiment>
Next, a superconducting single photon detection system according to a fourth embodiment of the invention will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a superconducting single photon detection system according to the fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same components as those in the third embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The superconducting single photon detection system 1D of this embodiment is different from the superconducting single photon detection system 1C of the third embodiment as shown in FIG. A variable resistance element 91 </ b> D to 94 </ b> D for setting a bias current is provided separately from the same configuration and the same reference numeral. That is, the high impedance elements 61 to 64 have an impedance of about 5 kΩ as in the first embodiment, and the variable resistance elements 91D to 94D have an impedance based on about 100 kΩ.

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。   Furthermore, in this embodiment, the variable resistance elements 91 </ b> D to 94 </ b> D are provided in the refrigerator 5. The SSPD array 20, the SFQ circuit 30, and the high impedance elements 61 to 64 are provided on one chip 2D, and the variable resistance elements 91D to 94D are provided separately from the chip 2D.

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。   According to the configuration of the present embodiment, the high impedance elements 61 to 64 are arranged on the same chip 2D as the SSPD array 20 and / or the SFQ circuit 30 as elements having a relatively low impedance of about 5 kΩ as in the first embodiment. Once formed, the variable resistance elements 91D to 94D having a relatively high impedance for setting the bias current can be provided as separate chips or separate circuit configurations, and the miniaturization of the chip 2D can be realized more easily. can do. Also in this embodiment, in order to generate a bias current corresponding to a plurality of SSPDs 21 to 24 from one current source 70, the superconducting nanowire detection of each SSPD 21 to 24 is performed by making the resistance elements 91D to 94D variable. The optimum current value of the element 7 can be set appropriately.

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。   In the present embodiment, the variable resistance elements 91 </ b> D to 94 </ b> D are provided in the refrigerator 5, but may be provided outside the refrigerator 5.

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。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements, changes, and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the components in the plurality of embodiments may be arbitrarily combined. Specifically, the high impedance element in the first embodiment, the third embodiment, and the fourth embodiment may be configured using the high impedance element made of nanowires in the second embodiment. On the other hand, the high impedance element according to the second embodiment may be configured as a resistance element or inductor made of a general metal thin film.

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。   In the above embodiment, the four SSPDs 21 to 24 are described based on the SSPD array 20 formed on one chip. However, the present invention is not limited to this as long as one or more SSPDs are provided. Absent. Further, when a plurality of SSPDs are provided, the plurality of SSPDs may be formed on a plurality of chips. The configuration of the SFQ circuit 30 is not limited to the configuration described in the above embodiment, and various improvements, changes, and modifications are made according to the apparatus or system to which the superconducting single photon detection system of the present invention is applied. Configuration is applicable.

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。   A superconducting single photon detection system according to the present invention was fabricated, and performance evaluation of photon detection efficiency, dark count, and timing jitter in this system was performed. In this example, two SSPDs were used with the same configuration as in the first embodiment. In this embodiment, instead of using an SSPD array including two SSPDs, only two SSPDs are mounted and the two SSPDs are operated simultaneously. As a performance evaluation method, photon detection efficiency, dark count, and jitter are measured from the SSPD output, while photon detection efficiency, dark count, and jitter are measured from the output of the SFQ circuit connected to the SSPD via a coaxial cable. The two were compared. Thereby, it was verified whether or not each index of the output of the SFQ circuit was deteriorated with respect to the output of only the SSPD.

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。   FIG. 6 is a graph showing measurement results of changes in photon detection efficiency and dark count with respect to the SSPD bias current in the example of the present invention. FIG. 7 is a graph showing measurement results for jitter in the example of the present invention. As shown in FIG. 6, the photon detection efficiency and the dark count at the output of the SFQ circuit in the present embodiment hardly change in characteristics with respect to the output of only the SSPD. Thus, it can be seen that the signal processing can be executed effectively without causing signal degradation by the connection method between the SSPD-SFQ circuits in this embodiment.

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。   Further, as shown in FIG. 7, as a result of measuring jitter with only SSPD, the half width was about 40 ps. In contrast, the jitter at the output of the SFQ circuit has a half width of about 50 ps. Thus, although a slight increase in jitter was seen compared to the output of only SSPD, it was suppressed to an increase of about 10 ps, and a sufficiently practical jitter value was obtained.

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。   The superconducting single photon detection system and superconducting single photon detection method of the present invention are useful for miniaturizing the system while maintaining a very low temperature and obtaining high photon detection accuracy.

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
1,1B, 1C, 1D Superconducting single photon detection system 2,2B SSPD chip 2C, 2D chip 3 SFQ chip 4 Photon source 5 Refrigerator 6,70-74 Current source 7 Superconducting nanowire detector 8 Counter 9 Ring oscillator 20 SSPD array 21 SSPD (superconducting single photon detector)
30 SFQ circuit (superconducting single flux quantum circuit)
31 converter 35 output conversion circuit 36 SQUID driver 37, 41 to 44 coaxial cable (AC signal transmission path)
50 to 54 Bias current path 61 to 64, 91 to 94 High impedance element 81 to 84 Resistance element 91D to 94D Variable resistance element 241 to 244 SSPD coaxial line (AC signal transmission path)
341 to 344 SFQ coaxial line (AC signal transmission path)
J1 to J5 Josephson junction L1 primary coil L2 secondary coil L3 to L5 coil R1, R2 resistance element Rr load resistance element

Claims (6)

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キャパシタを介さずに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。
A superconducting single photon detector operated by a bias current;
A superconducting single flux quantum circuit that converts a detection signal output from the superconducting single photon detector into a single flux quantum signal using a converter having a load resistance element and performs arithmetic processing, and
The superconducting single photon detector and the superconducting single flux quantum circuit are connected by an AC signal transmission path without a capacitor ,
A bias current path for supplying the bias current to the superconducting single photon detector is connected to the AC signal transmission path via a high impedance element,
The high-impedance element is a superconducting single photon detection system in which an impedance at a high frequency is higher than an impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit.
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。   The superconducting single-photon detection system according to claim 1, wherein the superconducting single-photon detector, the superconducting single-flux quantum circuit, the AC signal transmission path, and the high-impedance element are mounted in a refrigerator. . 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。
A plurality of said superconducting single photon detectors;
A plurality of superconducting single flux quantum circuits and a plurality of alternating current signal transmission paths provided corresponding to the plurality of superconducting single photon detectors;
The superconducting single photon detection system according to claim 1, further comprising a plurality of the high impedance elements provided corresponding to the plurality of AC signal transmission paths.
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。   The superconducting single photon detection system of claim 3, wherein the bias current path is configured to supply the bias current from a current source to the plurality of high impedance elements. 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。
The superconducting single photon detector comprises a superconducting nanowire detection element that detects a single photon,
The superconducting single photon detection system according to claim 1, wherein the high impedance element is configured by a nanowire having a narrower line width than the superconducting nanowire detection element.
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、前記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がキャパシタを介さずに接続された交流信号伝送経路を通じて前記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。
A detection step of detecting a single photon by supplying a bias current to the superconducting single photon detector through a bias current path;
And outputs the detected single photon as a detection signal, the superconducting single-photon detector and the superconducting single through AC signal transmission path between are connected not through the capacitor between the superconducting single flux quantum circuits A processing step of performing an arithmetic process after being transmitted to a single flux quantum circuit and converted into a single flux quantum signal using a transducer having a load resistance element,
The bias current is supplied to the superconducting single photon detector through a bias current path connected via a high impedance element connected to the AC signal transmission path,
The high-impedance element is a superconducting single photon detection method, wherein an impedance at a high frequency is higher than an impedance of the load resistance element of the superconducting single flux quantum circuit.
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