JP5875045B2

JP5875045B2 - 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

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Publication number: JP5875045B2
Application number: JP2012019506A
Authority: JP
Inventors: 茂人三木; 寺井　弘高; 弘高寺井; 山下　太郎; 太郎山下; 圭正牧瀬; 王　鎮; 鎮王
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP2013156238A

Description

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

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

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

ここで、入射光子とＳＳＰＤの間で高い光結合効率を達成するためには、ＳＳＰＤに入射する光のスポット直径（約９μｍ）に対して十分大きな受光面積を確保しなければならず、約１５μｍ角程度の受光面積が要求される。一方で、１つのＳＳＰＤについて受光面積を大きくすると、ナノワイヤの長さが長くなるため、ナノワイヤ中の欠陥が多くなってしまい、素子性能が劣化してしまう。また、ナノワイヤの長さを長くすると、ナノワイヤのインダクタンスが増大する。したがって、ナノワイヤのインダクタンスに依存する時定数（インダクタンス／負荷インピーダンス（通常は５０Ω））が増大するため、ナノワイヤを伝送する信号の速度が遅くなってしまう。この結果、応答速度が低下してしまう。

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

前述したように、ＳＳＰＤを超伝導で動作させるために、ＳＳＰＤは冷凍機内に実装する必要がある。そして、冷凍機内の温度を極低温に維持するために、ＳＳＰＤの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）。

このようにＳＳＰＤと超伝導ＳＦＱ回路とを信号伝送経路を介して接続した超伝導単一光子検出システムの応用として、ＳＳＰＤを複数並べてＳＳＰＤアレイを構成し、所定の超短パルス光を被測定物に照射して反射光をＳＳＰＤアレイで受けることにより、被測定物の距離や形状の特定を行うことが考えられる。例えば、特許文献１には、論理回路である超伝導ＳＦＱ回路を用いてＳＳＰＤアレイからの検出信号に基づいて当該検出信号が複数のＳＳＰＤのうちのいずれで検出されたものかを論理演算により求める構成が提案されている。

特開２００９−２３２３１１号公報

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

しかしながら、上述したように、超伝導ＳＦＱ回路は、極低温下で作動させる必要があるため、冷凍機内に設置されるが、ＳＳＰＤアレイを構成するＳＳＰＤの数が増大すると、それに伴って超伝導ＳＦＱ回路において検出信号が複数のＳＳＰＤのうちのいずれで検出されたものかを求めるための論理回路も複雑となり回路構成が大型化してしまう。超伝導ＳＦＱ回路の回路構成が大型化すると、素子作製が困難となり、また、消費電力も大きくなるため、小型で安価な冷凍機を使用することができなくなり、コストの上昇を招く。

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、ＳＳＰＤアレイを構成するＳＳＰＤの数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれのＳＳＰＤからの検出信号であるかを容易かつ確実に判別することができる超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法を提供することを目的とする。

本発明のある形態に係る超伝導単一光子検出システムは、バイアス電流によって動作する複数の超伝導単一光子検出器で構成される超伝導単一光子検出器アレイと、前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号を単一磁束量子信号に変換し、前記単一磁束量子信号を多重化し、出力信号として出力する超伝導単一磁束量子回路と、前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれと前記超伝導単一磁束量子回路との間を接続する複数の信号伝送経路と、を備え、前記複数の信号伝送経路は、互いに異なる長さを有している。

上記構成によれば、超伝導単一光子検出器アレイを構成する複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれが光子を検出すると、各超伝導単一光子検出器から対応する各信号伝送経路を介して超伝導単一磁束量子回路に検出信号が送られる。ここで、各信号伝送経路は、互いに異なる長さを有しているため、超伝導単一光子検出器アレイに照射された同じ光を検出した検出信号であっても各超伝導単一光子検出器から超伝導単一磁束量子回路に到達する時間がずれることになる。これにより、超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時刻と超伝導単一磁束量子回路からの信号出力時刻との時間相関をとることにより、超伝導単一光子検出器ごとに出力信号を時間的に分解することができる。時間的に分解された出力信号の出力値から超伝導単一光子検出器を判定する構成は、極低温下におく必要がなくなるため、超伝導単一磁束量子回路の論理回路を複雑化する必要がない。したがって、超伝導単一光子検出器アレイを構成する超伝導単一光子検出器の数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれの超伝導単一光子検出器からの検出信号であるかを容易かつ確実に判別することができる。

前記超伝導単一光子検出システムは、前記超伝導単一光子検出器アレイに所定の光が照射された時刻に基づく基準時刻からの経過時間に応じて前記出力信号の出力値が前記複数の超伝導単一光子検出器のうちのいずれの超伝導単一光子検出器で検出されたかを判別する時間相関型の光子計数器を備えていてもよい。これにより、超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時から検出信号が超伝導単一磁束量子回路に到達するまでの時間相関から容易に光子が入射された超伝導単一光子検出器を判別することができる。

前記複数の信号伝送経路の長さは、各超伝導単一光子検出器でそれぞれ検出された単一光子の検出数を示す出力波形が得られた時刻同士の間の時間間隔が、少なくとも各出力波形の半値幅よりも広い時間間隔となるように、設定されていてもよい。これにより、超伝導単一光子検出器ごとに出力信号の出力値を時間的に分解することを確実に行うことができる。

前記超伝導単一光子検出器、前記超伝導単一磁束量子回路、および前記信号伝送経路は、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信号伝送経路の本数を大幅に減らすことが可能となるため、超伝導単一光子検出器の数によらず安定した極低温を実現することができる。

前記超伝導単一磁束量子回路は、前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号を単一磁束量子信号に変換するための負荷抵抗素子を有する変換器を備え、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に構成されてもよい。これによれば、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）となり、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、バイアス電流を供給するために従来用いられていた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より小型化し、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。

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複数の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前記超伝導単一光子検出器ごとに検出信号として出力するステップと、長さの異なる信号伝送経路を通じて各超伝導単一光子検出器からの検出信号を超伝導単一磁束量子回路に伝達し、前記超伝導単一光子検出器のそれぞれにおける光子の検出数に応じた出力値を示す出力信号を出力する処理を行う処理ステップと、を含んでいる。

上記方法によれば、超伝導単一光子検出器アレイを構成する複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれが光子を検出すると、各超伝導単一光子検出器から対応する各信号伝送経路を介して超伝導単一磁束量子回路に検出信号を送る。ここで、各信号伝送経路は、互いに異なる長さを有しているため、超伝導単一光子検出器アレイに照射された同じ光を検出した検出信号であっても各超伝導単一光子検出器から超伝導単一磁束量子回路に到達する時間がずれることになる。このように、超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時から検出信号が超伝導単一磁束量子回路に到達するまでの時間相関をとってやることにより、超伝導単一光子検出器ごとに出力信号の出力値を時間的に分解することができる。このため、超伝導単一磁束量子回路の論理回路を複雑化する必要がない。時間的に分解された出力信号の出力値から超伝導単一光子検出器を判定する構成は、極低温下におく必要がなくなるため、超伝導単一光子検出器アレイが冷凍機内に占める面積を増大させることができる。したがって、超伝導単一光子検出器アレイを構成する超伝導単一光子検出器の数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれの超伝導単一光子検出器からの検出信号であるかを容易かつ確実に判別することができる。

本発明は以上に説明したように構成され、超伝導単一光子検出器アレイを構成する超伝導単一光子検出器の数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれの超伝導単一光子検出器からの検出信号であるかを容易かつ確実に判別することができるという効果を奏する。

図１は本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図２は図１に示す超伝導単一光子検出システムにおける出力信号の想定波形図を示すグラフである。図３は本発明の第２実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図４は本実施例における超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図５は図４に示す超伝導単一光子検出システムにおける出力信号の波形図を示すグラフである。

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

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の超伝導単一光子検出システム１は、バイアス電流によって動作する複数の超伝導単一光子検出器（以下、ＳＳＰＤ）２１〜２４で構成される超伝導単一光子検出器アレイ２０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信号に変換し、当該単一磁束量子信号を多重化する信号多重化回路３８によって信号処理を行う超伝導単一磁束量子回路（以下、超伝導ＳＦＱ回路）３０とを備えている。

各ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０の各変換器３１〜３４との間はＳＳＰＤに対応する数の信号伝送経路（交流の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、超伝導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。同軸線路２４１〜２４４，３４１〜３４４は、各チップ２，３上に形成されたマイクロストリップラインである。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、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。

なお、本実施形態においては、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを別のチップとし、両者を同軸ケーブル４１〜４４で繋ぐこととしているが、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを１つのチップとして構成し、ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０の変換器３１〜３４との間を同軸線路のみで接続することとしてもよい。

各ＳＳＰＤ２１〜２４には、バイアス電流経路（直流経路）５１〜５４が接続されている。バイアス電流経路５１〜５４には、抵抗素子８１〜８４を介してバイアス電流源７１〜７４が接続されている。具体的には、バイアス電流源７１〜７４から抵抗素子８１〜８４に印加される電圧によって定められるバイアス電流が各ＳＳＰＤ２１〜２４に供給される。

ＳＳＰＤチップ２およびＳＦＱチップ３は、冷凍機５内に実装されている。すなわち、ＳＳＰＤアレイ２０、超伝導ＳＦＱ回路３０、および、同軸ケーブル４１〜４４は、冷凍機５内に実装されている。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。

ＳＳＰＤ２１〜２４は、それぞれ、単一光子を検出する超伝導ナノワイヤ検出素子（図示せず）を備えている。超伝導ナノワイヤ検出素子は、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を含む受光面の受光面積は、ＳＳＰＤ２１〜２４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。

本実施形態において、ＳＳＰＤアレイ２０は、ＳＳＰＤチップ２上に、複数（４つ）のＳＳＰＤ２１〜２４が設けられている。超伝導単一光子検出システム１は、ＳＳＰＤアレイ２０に向けて所定の光（フォトン）を射出する光照射器４を備えている。光照射器４は、例えば１ピコ秒未満のパルス幅を有するパルスレーザで構成される。光照射器４は、直接的または間接的（例えば光ファイバを通じて）にＳＳＰＤアレイ２０に光（フォトン）を照射する。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、光照射器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。

超伝導ＳＦＱ回路３０は、ＳＦＱチップ３上に設けられている。具体的には、超伝導ＳＦＱ回路３０は、各ＳＳＰＤ２１〜２４に対応して設けられ、ＳＳＰＤ２１〜２４から出力される検出信号をＳＦＱパルス信号（単一磁束量子信号）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ＳＦＱパルス信号を多重化する信号多重化回路３８と、微弱なＳＦＱパルス信号を観測可能なパルス信号に変換する出力変換回路３５と、出力変換回路３５から出力される電圧パルスのパルス幅を長くして出力信号を生成するＳＱＵＩＤドライバ３６とを備えている。各変換器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。

変換器３１〜３４は、ＳＳＰＤ２１〜２４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、信号伝送経路および負荷抵抗素子（図示せず）に直列接続された一次コイルと、当該一次コイルと相互誘導可能に配置された二次コイルとを備えている（図示せず）。二次コイルには一対のジョセフソン接合が接続されており、一対のジョセフソン接合が超伝導量子干渉光子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を構成している。

ＳＳＰＤ２１〜２４から出力された検出信号は、一次コイルから二次コイルへと相互誘導し、磁束に変換される。ＳＱＵＩＤは、検出信号が伝達されることによりＳＱＵＩＤに磁束が生じると、ＳＦＱが回路内を伝搬し、所定のパルス幅および電圧強度を有するＳＦＱパルスＳ１〜Ｓ４を出力する。変換器３１〜３４から出力されたＳＦＱパルスＳ１〜Ｓ４は、信号多重化回路３８に入力される。

信号多重化回路３８は、変換器３１〜３４の４出力から入力されたＳＦＱパルス信号Ｓ１〜Ｓ４を多重化し、出力ポート（本実施形態においては１つの出力ポート）から多重化されたＳＦＱパルスを出力する論理回路となっている。多重化回路３８から出力されたＳＦＱパルスは、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、後段の構成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により、整形（パルス幅および電圧レベルの増幅）される。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〜Ｓ４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。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。

超伝導ＳＦＱ回路３０は、同軸ケーブル３７を介して光子計数器１０に接続されており、出力信号を光子計数器１０に入力する。光子計数器１０は、ＳＳＰＤアレイ２０光照射器４から所定の光が照射された時刻に基づく基準時刻からの経過時間に応じて超伝導ＳＦＱ回路３０の出力信号の出力値が複数のＳＳＰＤ２１〜２４のうちのいずれのＳＳＰＤで検出されたかを判別するよう構成されている。光照射器４から光が照射された時刻を把握するために、光子計数器１０は、光照射器４と接続されており、光照射器４からの光照射のタイミングに同期した同期信号が入力されるように構成されている。光子計数器１０は、同期信号の同期パルスが入力された時刻を基準時刻として基準時刻からの経過時間を内部タイマなどを用いて計測する。なお、基準時刻は、光照射器４から光が照射された時刻に基づく限りどのように決めてもよく、例えば同期信号を用いる代わりに必ず光子が入射される位置に配置された基準の光子検出器からの検出信号が光子計数器１０に到達した時刻を基準時刻としてもよい。

ここで、上記複数の信号伝送経路は、互いに異なる長さを有している。本実施形態においては同軸ケーブル４１〜４４が互いに異なる長さＬ１〜Ｌ４を有している。

上記構成によれば、光照射器４からの光照射に基づいてＳＳＰＤアレイ２０を構成する複数のＳＳＰＤ２１〜２４のそれぞれが光子を検出すると、各ＳＳＰＤ２１〜２４から対応する各信号伝送経路（同軸線路２４１〜２４４，３４１〜３４４および同軸ケーブル４１〜４４）を介して超伝導ＳＦＱ回路３０に検出信号が送られる。ここで、各信号伝送経路は、同軸ケーブル４１〜４４により互いに異なる長さを有しているため、ＳＳＰＤアレイ２０に照射された同じ光を検出した検出信号であっても各ＳＳＰＤ２１〜２４から超伝導ＳＦＱ回路３０に到達する時間がずれることになる。

基準時刻から超伝導ＳＦＱ回路３０に到達する時間Ｔは、信号伝送経路の長さをＬ、光速をｃ、信号伝送経路の比誘電率をεとすると、Ｔ＝ε^1/2・Ｌ／ｃと表せる。したがって、ＳＳＰＤ２１に対応する信号伝送経路の長さＬ１とＳＳＰＤ２２に対応する信号伝送経路の長さＬ２との差がΔＬだけ異なる場合、基準時刻から超伝導ＳＦＱ回路３０に到達する時間のずれΔＴは、ΔＴ＝ε^1/2・ΔＬ／ｃとなる。

図２は図１に示す超伝導単一光子検出システムにおける出力信号の想定波形図を示すグラフである。横軸は時間であり基準時刻（光照射器同期信号）を０としている。縦軸は出力値（単一光子のカウント数）であり、対数表示により示される。出力波形Ｃ１〜Ｃ４は、ＳＳＰＤ２１〜２４のそれぞれで検出された単一光子の数がタイミングジッタにより時間的に広がっていることを示している。図２の例においては、検出された単一光子の数が多いものから順にＳＳＰＤ２２、ＳＳＰＤ２３、ＳＳＰＤ２１、ＳＳＰＤ２４である場合が示されている。

このように、超伝導単一光子検出器アレイ２０への光照射時から検出信号が超伝導単一磁束量子回路３０に到達するまでの時間相関をとることにより、超伝導単一光子検出器２１〜２４ごとに出力信号の出力値を時間的に分解することができる。時間的に分解された出力信号の出力値からＳＳＰＤ２１〜２４を判定する光子計数器１０は、極低温下におく必要がなくなる（冷凍機４の外に設置できる）ため、超伝導ＳＦＱ回路３０を構成する論理回路を複雑化する必要がない。したがって、ＳＳＰＤアレイ２０を構成するＳＳＰＤの数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれのＳＳＰＤ２１〜２４からの検出信号であるかを容易かつ確実に判別することができる。

光子計数器１０は、光子の数を時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ法）に基づいて計測するものであり公知のモジュールをそのまま適用可能である。これにより、超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時から検出信号が超伝導単一磁束量子回路に到達するまでの時間相関から容易に光子が入射された超伝導単一光子検出器を判別することができる。

複数の信号伝送経路の長さＬ１〜Ｌ４は、各ＳＳＰＤ２ｉ（本実施形態においてはｉ＝１，２，３，４）でそれぞれ検出された単一光子の検出数を示す出力波形Ｃｉが得られた時刻Ａｃｉ（単一光子の検出数が最大値となる時刻であり、一般的に、出力波形Ｃｉの中心となる時刻）同士の間の時間間隔Ａｉ（上記時間のずれΔＴ）がそれぞれの出力（出力波形Ｃｉ）におけるタイミングジッタよりも十分に広くなる（出力波形Ｃｉの裾の領域が互いに重ならない）ように、設定される。具体的には、複数の信号伝送経路の長さＬ１〜Ｌ４は、時間間隔Ａｉが、少なくとも各出力波形Ｃｉの半値幅Ｄｉよりも広い時間間隔となるように、設定されている。なお、図２においては、時間間隔Ａｉは、各出力波形Ｃｉの頂点（すなわち、時刻Ａｃｉ）を中心とする時間幅として設定されているが、時間間隔Ａｉを一の出力波形Ｃｉの頂点Ａｃｉと次の出力波形Ｃｉ＋１の頂点Ａｃｉ＋１との間の時間間隔として設定してもよい。

時間間隔Ａｉは、予め複数のＳＳＰＤ２１〜２４のうちのいずれか１つにおいて検出される単一光子が最大となったときの出力値の推定値に基づいて、その他すべてのＳＳＰＤについても同じように設定することとしてもよい（すべてのＳＳＰＤ２１〜２４に設定される時間間隔Ａ１〜Ａ４はすべて同じ間隔として設定してもよい）。

このように、各ＳＳＰＤ２１〜２４の出力波形Ｃｉの幅に基づいて時間間隔Ａｉを設定し、これに基づいて信号伝送経路の長さＬ１〜Ｌ４を決定することにより、ＳＳＰＤ２１〜２４ごとに出力信号の出力値を時間的に分解することを確実に行うことができる。

なお、時間間隔Ａｉを広くとった場合には、出力波形Ｃｉ自体の時間ずれ（時間間隔Ａｉ内における出力波形Ｃｉの時間ずれ）に基づいて光照射器４またはＳＳＰＤアレイ２０から被測定物までの距離を判定することも可能である。例えば、ＳＳＰＤアレイ２０により光照射器４からの反射光を検出するシステムにおいて、被測定物とＳＳＰＤ２１との距離が既知の所定距離にあるときに時間間隔Ａ１の中央位置（時間間隔Ａ１の開始時刻からＡ１／２の時間経過後の時刻Ａｃ１）に出力波形Ｃ１の頂点が位置する場合に、実際に出力信号として得られた出力波形Ｃ１’の頂点の位置が時間間隔Ａ１の中央位置Ａｃ１より時間的に遅い位置Ａｃ１’に位置した（図２において破線で示す）場合、ＳＳＰＤ２１と被測定物との距離は既知の所定距離より長い（両者は離れた位置にある）と判定することができる。さらに、既知の所定距離における中央位置Ａｃ１と実際の距離における中央位置Ａｃ１’との時間差の多寡に応じて実際の距離を演算することも可能となる。

このように、信号伝送路をＳＳＰＤ２ｉごとに異なる長さＬｉとすることにより、ＳＳＰＤアレイ２０で検出された単一光子の数をＳＳＰＤ２ｉごとに高精度に分解することができる。したがって、ＳＳＰＤ２ｉを大規模化することにより、生体医療を始めとする微弱光イメージング計測や、微細なサイズの物体を検出するためのライダ（ＬＩＤＡＲ）への適用など、様々な分野への利用が考えられる。

なお、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを１つのチップとして構成し、ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０の変換器３１〜３４との間を同軸線路のみで接続する場合には、当該同軸線路の長さをＳＳＰＤ２１〜２４ごとに互いに異ならせるように形成すればよい。また、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３との間を同軸ケーブル４１〜４４で繋ぐ場合であっても、同軸ケーブル４１〜４４の長さを変えずに、ＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４および／またはＳＦＱ同軸線路３４１〜３４４の長さを互いに異ならせることとしてもよい。この場合には、さらに同軸ケーブル４１〜４４の長さを異ならせてもよい。要するに、信号伝送経路の長さがＳＳＰＤ２１〜２４に応じて互いに異なるように構成する限り、長さを異ならせる箇所をいずれに設定してもよい。

＜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、ＳＳＰＤ２１〜２４にバイアス電流を供給するバイアス電流経路５１Ｂ〜５４Ｂが、信号伝送経路に高インピーダンス素子６１〜６４を介して接続され、高インピーダンス素子６１〜６４の高周波におけるインピーダンスが超伝導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（図示せず）のインピーダンスより高いことである。

高インピーダンス素子６１〜６４は、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。例えば、高インピーダンス素子６１〜６４の線幅を、ＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子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６１〜６４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６１〜６４を介してＳＳＰＤ２１〜２４の超伝導ナノワイヤ検出素子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６１〜６４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の線幅を１００ｎｍとした場合、高インピーダンス素子６１〜６４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６１〜６４をＳＳＰＤチップ２Ｂ上に作製することが可能である。

本実施形態においては、ＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４に、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）５１Ｂ〜５４Ｂ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ＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４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５１Ｂ〜５４Ｂ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超伝導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、ＳＳＰＤチップ２上に設けられている。バイアス電流経路５１Ｂ〜５４Ｂ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。

上記構成によれば、ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０との間の信号伝送経路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５１Ｂ〜５４Ｂ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５１Ｂ〜５４Ｂ、高インピーダンス素子６１〜６４およびＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４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と超伝導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、超伝導ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子より抵抗値の低い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超伝導ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子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５１Ｂ〜５４Ｂに進むのを防止し、超伝導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、従来構成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ＳＳＰＤチップ２Ｂ内に作製することでバイアス電流をＳＳＰＤ２１〜２４に流すことができ、複数のＳＳＰＤ２１〜２４による多ピクセル化が図れる。

さらに、前述したとおり、ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０との接続を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５１Ｂ〜５４Ｂ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５１Ｂ〜５４Ｂ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。

すなわち、室温側からの熱流入源となる同軸ケーブルは、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。したがって、ＳＳＰＤ２１〜２４の数によらず安定した極低温を実現することができる。以上より、極低温を安定に維持しつつシステムを小型化し、しかも高い光子検出精度を得ることができる。

なお、本実施形態における高インピーダンス素子６１〜６４は、従来のプロセスで作製可能な金属薄膜による抵抗素子で形成されている。しかし、本発明は負荷抵抗素子より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。

超伝導ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子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。

なお、本実施形態においては、バイアス電流経路５１Ｂ〜５４ＢをＳＳＰＤ同軸線路２４１〜２４４に接続することとしているが、本発明はこれに限られず、例えばＳＦＱ同軸線路３４１〜３４４に接続してもよい。また、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを１つのチップとして構成する場合には、ＳＳＰＤ２１〜２４と超伝導ＳＦＱ回路３０の各変換器３１〜３４とを繋ぐ同軸線路にバイアス電流経路５１Ｂ〜５４Ｂを接続することとしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。例えば、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２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、ＳＳＰＤアレイ２０を構成する複数のＳＳＰＤは、１つの受光面をどのように区画したものであってもよい。例えば、上記実施形態のように、正方形状のＳＳＰＤを縦および横に（マトリクス状に）配置してもよいし、長方形状のＳＳＰＤを縦または横方向にのみ配置してもよいし、その他の形状（三角形など）を有するＳＳＰＤを幾何学的に配置することとしてもよい。また、ＳＳＰＤアレイ２０を構成する複数のＳＳＰＤは、複数のチップ上に形成されてもよい。超伝導ＳＦＱ回路３０の構成は、上記実施形態において説明した構成に限定されず、本発明の超伝導単一光子検出システムが適用される装置またはシステム等に応じて種々の改良、変更、修正が行われた構成が適用可能である。

本発明に係る超伝導単一光子検出システムを作製し、このシステムにおいて出力される出力信号の波形を調べた。図４は本実施例における超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図４に示すように、本実施例では基本的に図１に示す超伝導単一光子検出システム１と同様の構成を有しているが、本実施例の超伝導単一光子検出システム１Ｃは、ＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃが縦に並んだＳＳＰＤアレイ２０Ｃを有している。

本実施例における信号伝送経路は、各チップ２Ｃ，３における同軸線路２４１〜２４４，３４１〜３４４は同じ長さとし、同軸ケーブル４１〜４４の長さを異ならせた。想定されるＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃの１つあたりの出力信号の半値幅が４０〜５０ｐｓであることから、各ＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃからの出力信号の到達時間のずれΔＴが当該半値幅より十分に大きい約３００ｐｓとなるように、ＳＳＰＤ２１Ｃに対応する同軸ケーブル４１を１０ｃｍ、ＳＳＰＤ２２Ｃに対応する同軸ケーブル４２を１５ｃｍ、ＳＳＰＤ２３Ｃに対応する同軸ケーブル４３を２０ｃｍ、ＳＳＰＤ２４Ｃに対応する同軸ケーブル４４を２５ｃｍとした。

図５は図４に示す超伝導単一光子検出システムにおける出力信号の波形図を示すグラフである。図５は図２と同様に、横軸は時間であり基準時刻（光照射器同期信号）を０としている。縦軸は出力値（単一光子のカウント数）であり、対数表示により示される。図５に示すように、本実施例においても、図２に示す想定波形Ｃ１〜Ｃ４と同様に、出力波形Ｅ１〜Ｅ４が波形の裾部分まではっきり区別できるようなグラフが得られた。これにより各出力波形Ｅ１〜Ｅ４からＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃごとに検出された単一光子の数を計数することができる。図５の例においては、各出力値の波形Ｅ１〜Ｅ４から検出された単一光子の数が多いものから順にＳＳＰＤ２３Ｃ、ＳＳＰＤ２２Ｃ、ＳＳＰＤ２１Ｃ、ＳＳＰＤ２４Ｃということが分かる。このように、信号伝送経路の長さを調整して各ＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃからの出力信号の到達時間のずれΔＴを各ＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃからの出力信号の波形Ｅ１〜Ｅ４のタイミングジッタ（波形幅）よりも十分広くとった上で、単一光子のＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃへの入射時に基づいた時間相関をとることにより、ＳＳＰＤアレイ２０に照射された単一光子の数（出力信号の出力値）をＳＳＰＤ２１Ｃ〜２４Ｃの領域（ピクセル）ごとに読み出すことができることが示された。

本発明の超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法は、ＳＳＰＤアレイを構成するＳＳＰＤの数を増やしてもシステムの大型化を抑制しつつ、しかもいずれのＳＳＰＤからの検出信号であるかを容易かつ確実に判別するために有用である。特に、ＳＳＰＤを大規模化することにより、生体医療を始めとする微弱光イメージング計測や、微細なサイズの物体を検出するためのライダ（ＬＩＤＡＲ）への適用など、様々な分野への利用のために有用である。

１，１Ｂ，１Ｃ超伝導単一光子検出システム
２，２ＢＳＳＰＤチップ
３ＳＦＱチップ
４光照射器
５冷凍機
６，７０〜７４電流源
１０光子計数器
２０，２０ＣＳＳＰＤアレイ
２１〜２４，２１Ｃ〜２４ＣＳＳＰＤ（超伝導単一光子検出器）
３０超伝導ＳＦＱ回路（超伝導単一磁束量子回路）
３１〜３４変換器
３５出力変換回路
３６ＳＱＵＩＤドライバ
３７，４１〜４４同軸ケーブル（信号伝送経路）
３８信号多重化回路
５０〜５４バイアス電流経路
６１〜６４高インピーダンス素子
８１〜８４抵抗素子
２４１〜２４４ＳＳＰＤ同軸線路（信号伝送経路）
３４１〜３４４ＳＦＱ同軸線路（信号伝送経路）

Claims

バイアス電流によって動作する複数の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からそれぞれ出力される検出信号を単一磁束量子信号に変換し、前記単一磁束量子信号を多重化し、出力信号として出力する超伝導単一磁束量子回路と、
前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれと前記超伝導単一磁束量子回路との間を接続する複数の信号伝送経路と、
前記複数の超伝導単一光子検出器で構成される超伝導単一光子検出器アレイに所定の光が照射された時刻に基づく基準時刻からの経過時間に応じて前記出力信号の出力値が前記複数の超伝導単一光子検出器のうちのいずれの超伝導単一光子検出器で検出されたかを判別する時間相関型の光子計数器と、を備え、
前記複数の信号伝送経路は、前記超伝導単一光子検出器アレイに照射された同じ光を検出した検出信号であっても前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれから前記超伝導単一磁束量子回路に到達する時間が異なるように、互いに異なる長さを有し、
前記光子計数器は、前記超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時刻と前記超伝導単一磁束量子回路からの信号出力時刻との時間相関をとることにより、前記超伝導単一光子検出器ごとに前記出力信号を時間的に分解するように構成された、超伝導単一光子検出システム。
前記複数の信号伝送経路の長さは、各超伝導単一光子検出器でそれぞれ検出された単一光子の検出数を示す出力波形が得られた時刻同士の間の時間間隔が、少なくとも各出力波形の半値幅よりも広い時間間隔となるように、設定されている、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。
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、および前記信号伝送経路は、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。
前記超伝導単一磁束量子回路は、前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号を単一磁束量子信号に変換するための負荷抵抗素子を有する変換器を備え、
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、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。
バイアス電流経路を通じて複数の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前記超伝導単一光子検出器ごとに検出信号として出力するステップと、
前記複数の超伝導単一光子検出器で構成される超伝導単一光子検出器アレイに照射された同じ光を検出した検出信号であっても前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれから前記超伝導単一磁束量子回路に到達する時間が異なるように、互いに長さの異なる信号伝送経路を通じて各超伝導単一光子検出器からの検出信号を超伝導単一磁束量子回路に伝達し、前記検出信号を単一磁束量子信号に変換し、前記単一磁束量子信号を多重化し、出力信号として出力する処理を行う処理ステップと、
前記超伝導単一光子検出器アレイへの光照射時刻と前記超伝導単一磁束量子回路からの信号出力時刻との時間相関をとることにより、前記超伝導単一光子検出器ごとに前記出力信号を時間的に分解し、前記超伝導単一光子検出器アレイに所定の光が照射された時刻に基づく基準時刻からの経過時間に応じて前記出力信号の出力値が前記複数の超伝導単一光子検出器のうちのいずれの超伝導単一光子検出器で検出されたかを判別する判別ステップと、を含む、超伝導単一光子検出方法。