JP7344499B2 - 光子検出装置 - Google Patents
光子検出装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7344499B2 JP7344499B2 JP2021503991A JP2021503991A JP7344499B2 JP 7344499 B2 JP7344499 B2 JP 7344499B2 JP 2021503991 A JP2021503991 A JP 2021503991A JP 2021503991 A JP2021503991 A JP 2021503991A JP 7344499 B2 JP7344499 B2 JP 7344499B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photon detection
- transmission path
- current
- output
- superconducting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 285
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 347
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 claims description 159
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 52
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 32
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 31
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 description 22
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 18
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 17
- 101100464779 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) CNA1 gene Proteins 0.000 description 16
- 101100434411 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) ADH1 gene Proteins 0.000 description 10
- 101150102866 adc1 gene Proteins 0.000 description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 8
- 102100038026 DNA fragmentation factor subunit alpha Human genes 0.000 description 7
- 101000950906 Homo sapiens DNA fragmentation factor subunit alpha Proteins 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 7
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 101150042711 adc2 gene Proteins 0.000 description 5
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 5
- 101150066414 CPN1 gene Proteins 0.000 description 4
- 101000631695 Homo sapiens Succinate dehydrogenase assembly factor 3, mitochondrial Proteins 0.000 description 4
- 102100028996 Succinate dehydrogenase assembly factor 3, mitochondrial Human genes 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 102100028780 AP-1 complex subunit sigma-2 Human genes 0.000 description 3
- 102100028175 Abasic site processing protein HMCES Human genes 0.000 description 3
- 102100022210 COX assembly mitochondrial protein 2 homolog Human genes 0.000 description 3
- 101150079125 DCN1 gene Proteins 0.000 description 3
- 101100055680 Homo sapiens AP1S2 gene Proteins 0.000 description 3
- 101001006387 Homo sapiens Abasic site processing protein HMCES Proteins 0.000 description 3
- 101000900446 Homo sapiens COX assembly mitochondrial protein 2 homolog Proteins 0.000 description 3
- 101100464782 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) CMP2 gene Proteins 0.000 description 3
- 102100026353 F-box-like/WD repeat-containing protein TBL1XR1 Human genes 0.000 description 2
- 101000835675 Homo sapiens F-box-like/WD repeat-containing protein TBL1XR1 Proteins 0.000 description 2
- 101100533652 Homo sapiens SLIRP gene Proteins 0.000 description 2
- 102100025491 SRA stem-loop-interacting RNA-binding protein, mitochondrial Human genes 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4413—Type
- G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J2001/4446—Type of detector
- G01J2001/448—Array [CCD]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Description
このような問題に対し、特許文献1では、SFQ(Single-Flux-Quantum)回路などの超伝導論理回路からなる信号処理回路を冷凍機内に設け、冷凍機外に引き出す伝送経路の本数を抑制している。
複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路に接続され、前記検出電流に基づいて、当該検出電流を出力した超伝導光子検出素子を特定するアドレス情報信号を生成するアドレス情報生成回路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された第2伝送経路と、
前記第2伝送経路に接続され、前記検出電流に基づいて、前記複数の超伝導光子検出素子へ光子が入射した時間を示す時間情報信号を生成する時間情報生成回路と、を備える。
また、前記超伝導光子検出素子が、SSPD素子であってもよい。
複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された第2伝送経路と、
前記第2伝送経路上において、隣接する前記第1伝送経路の間にそれぞれ設けられた複数の遅延回路と、を備え、
前記検出電流に応じて、前記第2伝送経路の一端から第1のパルス信号が出力されると共に、前記第2伝送経路の他端から第2のパルス信号が出力され、
前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の差に基づいて、前記検出電流を出力した超伝導光子検出素子が特定可能であると共に、前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の和に基づいて、前記検出電流の発生時刻が特定可能である。
複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された一対の第2伝送経路と、
前記一対の第2伝送経路のそれぞれにおいて、隣接する前記第1伝送経路の間にそれぞれ設けられた複数の遅延回路と、を備え、
前記検出電流に応じて、前記一対の第2伝送経路のそれぞれの一端から第1のパルス信号と第2のパルス信号とが出力され、
前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の差に基づいて、前記検出電流を出力した超伝導光子検出素子が特定可能であると共に、前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の和に基づいて、前記検出電流の発生時刻が特定可能である。
また、前記超伝導光子検出素子が、SSPD素子であってもよい。
<光子検出装置の構成>
まず、図1を参照して、第1の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図1は、第1の実施形態に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、第1の実施形態に係る光子検出装置は、SSPDアレイ10、アドレス情報生成回路20、時間情報生成回路30、n(nは2以上の自然数)本の第1伝送経路TL11~TL1n、1本の第2伝送経路TL2を備えている。また、図1に示すように、第1の実施形態に係る光子検出装置は冷凍機に格納されている。
なお、SSPD素子に限らず、TES素子やその他の超伝導光子検出素子を用いてもよい。
なお、SSPDアレイ10を構成する複数のSSPD素子は、それぞれ第1伝送経路に接続されているが、1対1で接続されている必要はない。
上述の通り、特許文献2では、超伝導光子検出素子に接続された伝送経路のそれぞれを2つに分岐させている。そのため、アドレス情報生成回路に入力される伝送経路と同じ本数の伝送経路が時間情報生成回路にも入力されている。その結果、時間情報生成回路の回路規模が大きく、消費電力も大きいという問題があった。
なお、第2伝送経路TL2の本数は、1本に限定されず、第1伝送経路TL11~TL1nよりも少ない本数であればよい。
次に、図2を参照して、第1の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成について説明する。図2は、図1に示した第1の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図2では、簡易な例として、SSPDアレイ10を構成するn個のSSPD素子が1列に並べて設けられており、n本の第1伝送経路TL11~TL1nに1対1で接続されている。
以下に、アドレス情報生成回路20、第2伝送経路TL2、時間情報生成回路30の詳細について説明する。以下の説明ではn=4の場合について説明する。
アドレス情報生成回路20は、図2に示すように、n個のアナログ/デジタル変換器ADC1~ADCn、ORゲートOR、バイナリエンコーダBE、パラレル/シリアル変換器PSC、電圧ドライバVD1を備えている。
なお、アナログ/デジタル変換器ADC1~ADCn、バイナリエンコーダBE、パラレル/シリアル変換器PSC、電圧ドライバVD1の詳細な回路構成については、第2の実施形態において説明する。
なお、アナログ/デジタル変換器ADC1~ADCnの出力信号は、デジタル電流信号に限定されず、デジタル電圧信号であってもよい。
なお、バイナリエンコーダBEの出力信号もデジタル電流信号に限定されず、デジタル電圧信号であってもよい。
なお、ORゲートORの出力信号もデジタル電流信号に限定されず、デジタル電圧信号であってもよい。
なお、パラレル/シリアル変換器PSCの出力信号もデジタル電圧信号に限定されず、デジタル電流信号であってもよい。
なお、アドレス情報信号を電流信号としてもよい。また、電圧ドライバVD1に代えて、電流ドライバを設けてもよい。
時間情報生成回路30の詳細について説明する前に、第2伝送経路TL2の詳細について詳細に説明する。
図2に示すように、第2伝送経路TL2には、n個の直流SQUID素子SQ1~SQnが直列に接続されている。SQUID素子SQ1~SQnは図1に示した磁気結合素子MC1~MCnの一態様である。SQUID素子SQ1の一端は、電流源CSと共に時間情報生成回路30に接続されている。SQUID素子SQ1の他端は、SQUID素子SQ2の一端に接続されている。同様に、他のSQUID素子も接続され、最後のSQUID素子SQnの一端は接地されている。
時間情報生成回路30は、図2に示すように、抵抗素子R、アナログ/デジタル変換器ADC、電圧ドライバVD2を備えている。
なお、アナログ/デジタル変換器ADC、電圧ドライバVD2の詳細な回路構成については、第2の実施形態において説明する。
なお、アナログ/デジタル変換器ADCの出力信号は、デジタル電圧信号に限定されず、デジタル電流信号であってもよい。
なお、時間情報信号を電流信号としてもよい。また、電圧ドライバVD2に代えて、電流ドライバを設けてもよい。
次に、図3を参照して、第1の実施形態に係る光子検出装置の動作について説明する。図3は、第1の実施形態に係る光子検出装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。上述の通り、n=4の場合について示している。
上述の通り、特許文献2では、超伝導光子検出素子に接続された伝送経路のそれぞれを2つに分岐させている。そのため、アドレス情報生成回路に入力される伝送経路と同じ本数の伝送経路が時間情報生成回路にも入力されている。従って、時間情報生成回路の回路規模が大きく、消費電力も大きいという問題があった。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図4を参照して、第2の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図4は、第2の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図4に示すように、第2の実施形態に係る光子検出装置では、光子検出装置のアドレス情報生成回路20が、図2に示したアナログ/デジタル変換器ADC1~ADCnに代えて、コンパレータCMP1~CMPn及び立ち上がりエッジ検出回路REDを備えている。さらに、第2の実施形態に係る光子検出装置では、アドレス情報生成回路20が、立ち下がりエッジ検出回路FEDを備えている。また、時間情報生成回路30が、図2に示したアナログ/デジタル変換器ADCに代えて、DC/SFQ変換器DSCを備えている。
以下にアドレス情報生成回路20が備えるコンパレータCMP1~CMPn、バイナリエンコーダBE、立ち上がりエッジ検出回路RED、パラレル/シリアル変換器PSC、及び電圧ドライバVD1の詳細な構成について説明する。
マッチング抵抗Rmの一端からアナログ検出電流Ia1が入力される。マッチング抵抗Rmの他端はバッファ回路BUFの入力端に接続されている。バッファ回路BUFの出力端からデジタル電流信号Id1が出力される。バッファ回路BUFの入力端には、直流の閾値電流Ithを生成する電流源CS1が接続されている。
なお、立ち上がりエッジ検出回路REDは省略することもできる。
なお、パラレル/シリアル変換器PSCをQFP回路のみから構成することもできる。その場合、QFP/SFQ変換器QSC1~QSC4は不要となる。
以下に時間情報生成回路30が備えるDC/SFQ変換器DSC及び電圧ドライバVD2の詳細な回路構成について説明する。ここで、電圧ドライバVD2は、上述の電圧ドライバVD1と同一の構成を有する。
なお、SFQパルス信号であるデジタル電圧信号Vsfqは連続したパルス信号となる場合もあるが、その場合、例えば先頭のパルス信号のみが使用されるため、図4では1つのパルス信号として模式的に描かれている。
直列に接続されたインダクタL11~L14のインダクタL11の一端からアナログ電流信号Isqが入力される。インダクタL11の他端とインダクタL12の一端との接続ノードには、インダクタL15を介して電流源CS11からバイアス電流が供給されている。
なお、立ち下がりエッジ検出回路FEDの出力信号はQFP回路によるデジタル電流信号である。そのため、電圧ドライバVD2に入力するリセット信号Vrst2を生成するにはSFQパルス信号であるデジタル電圧信号に変換するQFP/SFQ変換器が必要だが、図4では省略されている。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図16を参照して、第3の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図16は、第3の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図16に示すように、第3の実施形態に係る光子検出装置では、SSPDアレイ10において、16個のSSPD素子SSが4行×4列でマトリクス状に配置されている。なお、図16では、図2に示した冷凍機は省略されている。
一端が接地された4つのインダクタL31~L34の他端は、それぞれ第3伝送経路TL31~TL34に接続されている。
このSSPD素子SSは、第1伝送経路TL12を介してアナログ/デジタル変換器ADC2に接続されると共に、第3伝送経路TL32を介してアナログ/デジタル変換器ADC32に接続されている。通常、電流源CS32から供給されたバイアス電流は、図16において破線矢印で示したように、第1伝送経路TL12、SSPD素子SS、抵抗素子Rs、第3伝送経路TL32を介して、インダクタL32を流れる。ここで、アナログ/デジタル変換器ADC2及びADC32は入力にマッチング抵抗(不図示)を有する。そのため、バイアス電流は、アナログ/デジタル変換器ADC2にはほとんど流れない。また、バイアス電流は、アナログ/デジタル変換器ADC32には流れず、インダクタL32に流れる。
なお、アナログ/デジタル変換器ADC31~ADC34の出力信号は、デジタル電流信号に限定されず、デジタル電圧信号であってもよい。
なお、バイナリエンコーダBE30の出力信号もデジタル電流信号に限定されず、デジタル電圧信号であってもよい。
なお、パラレル/シリアル変換器PSCの出力信号もデジタル電圧信号に限定されず、デジタル電流信号であってもよい。
なお、アドレス情報信号を電流信号としてもよい。また、電圧ドライバVD1に代えて、電流ドライバを設けてもよい。
その他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
<光子検出装置の構成>
まず、図17を参照して、第4の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図17は、第4の実施形態に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。図17に示すように、第4の実施形態に係る光子検出装置は、いずれも超伝導材料から構成されたSSPDアレイ10、n(nは2以上の自然数)本の第1伝送経路TL11~TL1n、1本の第2伝送経路TL2、n個の磁気結合素子MC1~MCn、及びn個の遅延回路DC1~DCnを備えている。また、図17に示すように、超伝導状態を維持するために冷凍機に格納されている。
なお、SSPD素子に限らず、TES素子やその他の超伝導光子検出素子を用いてもよい。
なお、SSPDアレイ10を構成する複数のSSPD素子は、それぞれ第1伝送経路に接続されているが、1対1で接続されている必要はない。
図示しない遅延回路DC3~DC(n-1)についても同様である。
例えば、図17に示すように、第1伝送経路TL12が接続されたSSPD素子からパルス状の検出電流I2が出力されると、磁気結合素子MC2の両端に一時的に電位差が生じる。その結果、第2伝送経路TL2の一端から正のパルス電圧Voutpが出力されると共に、第2伝送経路TL2の他端から負のパルス電圧Voutnが出力される。
本実施形態に係る光子検出装置では、1本の第2伝送経路TL2が、n本の第1伝送経路TL11~TL1nの全てと磁気結合素子MC1~MCnを介して磁気結合されている。そのため、第1伝送経路TL11~TL1nでの検出電流の発生に伴い、第2伝送経路TL2の一端からパルス電圧Voutpが、第2伝送経路TL2の他端からパルス電圧Voutnが出力される。ここで、第2伝送経路上TL2における隣接する第1伝送経路の間に、それぞれ遅延回路が設けられている。
次に、図18を参照して、第4の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成について説明する。図18は、図17に示した第4の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図18では、簡易な例として、SSPDアレイ10を構成するn個のSSPD素子が1列に並べて設けられており、n本の第1伝送経路TL11~TL1nに1対1で接続されている。第4の実施形態に係る光子検出装置は、超伝導回路から構成されているため、バイアス電流を印加した状態での待機電力はゼロであり、低消費電力である。
なお、図示されたパルス電圧Voutp及びパルス電圧Voutnが出力される第2伝送経路TL2の両端部の回路構成はあくまでも一例であり、何ら限定されない。
図示しないSQUID素子SQ3~SQUID素子SQ(n-1)についても同様である。
遅延回路DC1は、SQUID素子SQ1の寄生容量Cp1、インダクタL1、及び遅延線路DL1から構成されている。一端がコンデンサC1に接続されたSQUID素子SQ1の他端は、インダクタL1の一端に接続されると共に寄生容量Cp1を介して接地されている。インダクタL1の他端は、遅延線路DL1の一端に接続され、遅延線路DL1の他端は、SQUID素子SQ2の一端に接続されている。
図示しない遅延回路DC3~DC(n-1)についても同様である。
なお、遅延回路DCnが遅延線路を備えていてもよい。
例えば、図18に示すように、第1伝送経路TL12が接続されたSSPD素子からパルス状の検出電流I2が出力されると、SQUID素子SQ2の両端に一時的に電位差が生じる。その結果、第2伝送経路TL2の一端から正のパルス電圧Voutpが出力されると共に、第2伝送経路TL2の他端から負のパルス電圧Voutnが出力される。
本実施形態に係る光子検出装置では、1本の第2伝送経路TL2が、n本の第1伝送経路TL11~TL1nの全てとSQUID素子SQ1~SQ2を介して磁気結合されている。そのため、第1伝送経路TL11~TL1nでの検出電流の発生に伴い、第2伝送経路TL2の一端からパルス電圧Voutpが、第2伝送経路TL2の他端からパルス電圧Voutnが出力される。ここで、第2伝送経路上TL2における隣接する第1伝送経路の間に、それぞれ遅延回路が設けられている。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図19を参照して、第5の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図19は、第5の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。ここで、図18に示した第4の実施形態に係る光子検出装置では、第2伝送経路TL2が、n本の第1伝送経路TL11~TL1nの全てと、それぞれ1個のSQUID素子SQ1~SQnを介して磁気結合されている。
なお、当然のことながら、各第1伝送経路と磁気結合されるSQUID素子の個数は、複数であればよく、適宜決定される。
より詳細には、一端が電流源CS及びコンデンサC1に接続されたSQUID素子SQ11の他端は、インダクタL11の一端に接続されると共に寄生容量Cp11を介して接地されている。インダクタL11の他端は、SQUID素子SQ12の一端に接続されている。SQUID素子SQ11の寄生容量Cp11及びインダクタL11(インダクタンスLm)から遅延回路DC11が構成されている。遅延回路DC11のインピーダンス√(Lm/Cp)は、終端抵抗Rt1、Rt2の抵抗値と等しい。遅延回路DC11による遅延時間は、√(Lm・Cp)である。
より詳細には、一端に遅延線路DL1に接続されたSQUID素子SQ21の他端は、インダクタL21の一端に接続されている。このSQUID素子SQ21の他端は、寄生容量Cp21を介して接地されている。インダクタL21の他端は、SQUID素子SQ22の一端に接続されている。SQUID素子SQ21の寄生容量Cp21及びインダクタL21(インダクタンスLm)から遅延回路DC21が構成されている。遅延回路DC21のインピーダンス√(Lm/Cp)も、終端抵抗Rt1、Rt2の抵抗値と等しい。遅延回路DC21による遅延時間も、√(Lm・Cp)である。
より詳細には、一端に遅延線路DL(n-1)(不図示)に接続されたSQUID素子SQn1の他端は、インダクタLn1の一端に接続されている。このSQUID素子SQn1の他端は、寄生容量Cpn1を介して接地されている。インダクタLn1の他端は、SQUID素子SQn2の一端に接続されている。SQUID素子SQn1の寄生容量Cpn1及びインダクタLn1(インダクタンスLm)から遅延回路DCn1が構成されている。遅延回路DCn1のインピーダンス√(Lm/Cp)も、終端抵抗Rt1、Rt2の抵抗値と等しい。遅延回路DCn1による遅延時間も、√(Lm・Cp)である。
図示しないSQUID素子SQ31~SQ33、・・・、SQ(n-1)1~SQ(n-1)3も同様である。
その他の第1伝送経路についても同様である。
ここで、図20は、第5の実施形態に係る光子検出装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図20は、n=4の場合を示している。
図20の例では、最初に、時刻t01に第1伝送経路TL11において発生した検出電流I1に伴って、時刻tp1に正のパルス電圧Voutpが出力され、続いて、時刻tn1に負のパルス電圧Voutnが出力されている。
次に、時刻t02に第1伝送経路TL12において発生した検出電流I2に伴って、正のパルス電圧Voutpが時刻tp2に出力され、続いて、負のパルス電圧Voutnが時刻tn2に出力されている。
最後に、時刻t04に第1伝送経路TL14において発生した検出電流I4に伴って、負のパルス電圧Voutnが時刻tn4に出力され、続いて、正のパルス電圧Voutpが時刻tp4に出力されている。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図21を参照して、第6の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図21は、第6の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図21に示すように、第6の実施形態に係る光子検出装置では、SSPDアレイ10において、9個のSSPD素子SSが3行×3列でマトリクス状に配置されている。
一端が接地された3つのインダクタL31~L33の他端は、それぞれ第3伝送経路TL31~TL33に接続されている。
そして、第4伝送経路TL4には、冷凍機外に設けられた電流源CSyからバイアス電流Ibyが供給されている。第4伝送経路TL4の両端には、直流電流であるバイアス電流Ibyを遮断するためのコンデンサC3、C4が設けられている。
そして、SQUID素子SQ43の他端には、遅延回路DC43の一端が接続されている。遅延回路DC43の他端は、インダクタLyの一端及びコンデンサC4の一端に接続されている。
その他の構成は、第4の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
ここで、斜線を付したSSPD素子SSに着目する。
このSSPD素子SSは、第1伝送経路TL12及び第3伝送経路TL32に接続されている。通常、電流源CS32から供給されたバイアス電流は、図21において破線矢印で示したように、第1伝送経路TL12、SSPD素子SS、抵抗Rs、第3伝送経路TL32を介して、インダクタL32を流れる。ここで、第1伝送経路TL12の先端には抵抗R2が設けられているため、電流源CS32よりも抵抗R2側にはバイアス電流はほとんど流れない。また、第3伝送経路TL32の先端には抵抗R32が設けられているため、インダクタL32よりも抵抗R32側には電流が流れない。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図22を参照して、第7の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図22は、第7の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図22に示すように、第7の実施形態に係る光子検出装置では、図18に示した第4の実施形態に係る光子検出装置と比べ、冷凍機内に、時間情報生成回路31、32及びリセット回路RSTが設けられている。また、図18では冷凍機外に設けられている電流源CSが、図22では冷凍機内に設けられている。
具体的には、時間情報生成回路31は、第2伝送経路TL2の一端に設けられており、抵抗素子R11、アナログ/デジタル変換器ADC11、電圧ドライバVD11を備えている。時間情報生成回路32は、第2伝送経路TL2の他端に設けられており、抵抗素子R12、アナログ/デジタル変換器ADC12、電圧ドライバVD12を備えている。
なお、アナログパルス電圧Vanを反転させずに、デジタル電圧信号Vdn及び時間情報信号Voutnを負の電圧信号としてもよい。
なお、図22に示した時間情報信号Voutp、Voutnのリセット方法は、あくまでも一例であって、他にも様々な方法が考えられる。
その他の構成は、第4の実施形態に係る光子検出装置と同様であるため、説明を省略する。
なお、当然のことながら、図21に示した第6の実施形態と本実施形態とを組み合わせてもよい。
<光子検出装置の詳細構成>
次に、図23を参照して、第8の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図23は、第8の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。
ここで、図18に示した第4の実施形態に係る光子検出装置では、第2伝送経路TL2が、n本の第1伝送経路TL11~TL1nの全てと、それぞれ1個のSQUID素子SQ1~SQnを介して磁気結合されている。そして、第2伝送経路TL2の両端から出力される正のパルス電圧Voutp及び負のパルス電圧Voutnを用いて、検出電流が発生した位置及び時刻を特定する。
詳細には、図23に示すように、第2伝送経路TL2bには、冷凍機外に設けられた電流源CSbからバイアス電流Ibbが供給されている。バイアス電流Ibbの上流側に位置する第2伝送経路TL2bの一端には、直流電流であるバイアス電流Ibbを遮断するためのコンデンサCbが設けられている。コンデンサCbの一端は、電流源CSbに接続されている。そして、終端抵抗Rtbの一端に接続されたコンデンサCbの他端からパルス電圧Voutbが出力される。ここで、終端抵抗Rtbの他端は接地されている。
なお、インダクタLa、Lbを設けずに、バイアス電流Iba、Ibbが抵抗Ra、Rbに流れる構成でもよい。また、インダクタLa、Lb、及び抵抗Ra、Rbを、冷凍機外に設けてもよい。
また、遅延回路DC1b~DCnbにおけるSQUID素子SQ1b~SQnbの寄生容量及びインダクタは、遅延回路DC1a~DCnaにおけるSQUID素子SQ1a~SQnaの寄生容量及びインダクタと異なってもよい。
例えば、図23に示すように、第1伝送経路TL12が接続されたSSPD素子からパルス状の検出電流I2が出力されると、SQUID素子SQ2a、SQ2bの両端に一時的に電位差が生じる。その結果、第2伝送経路TL2a、第2伝送経路TL2bの一端からそれぞれパルス電圧Vouta、Voutbが出力される。
一方、パルス電圧Voutaの遅延時間(ta-t0)と、パルス電圧Voutbの遅延時間(tb-t0)との和(ta-t0)+(tb-t0)は、Ta+Tbとなる。
一方、パルス電圧Voutaの遅延時間(ta-t0)と、パルス電圧Voutbの遅延時間(tb-t0)との和(ta-t0)+(tb-t0)は、(n-1)(Ta+Tb)となる。
従って、k=(ta-tb)/(Ta-Tb)+1が成立し、Tb≠Taであるため、出力時刻ta、tbの差(ta-tb)に基づいて、kの値が得られる。すなわち、第1伝送経路TL11~TL1nのいずれにおいて検出電流が発生したのかを知ることができる。その結果、検出電流を出力したSSPD素子を特定できる。
すなわち、ta+tb-2×t0=(k-1)(Ta+Tb)が成立する。
従って、t0={ta+tb-(k-1)(Ta+Tb)}/2が成立し、得られたkの値を代入すれば、出力時刻ta、tbの和(ta+tb)に基づいて、検出電流の発生時刻t0も特定できる。
このように、検出電流が発生する順番とパルス電圧が観測される順番とが逆転すると、観測された正のパルス電圧Voutpと負のパルス電圧Voutnとを1対1で対応付けられず、検出電流が発生した位置及び時刻を正確に特定できない。
なお、本実施形態と第5の実施形態とを組み合わせてもよい。すなわち、第2伝送経路TL2a、TL2bのそれぞれにおいて、第1伝送経路TL11~TL1nに磁気結合されたSQUID素子の個数を増やすことによって、パルス電圧Vouta、Voutbの振幅を大きくしてもよい。
また、第2伝送経路TL2a、TL2bの各一端から出力される正のパルス電圧Vouta、Voutbに代えて、各他端から出力される負のパルス電圧を用いて、検出電流が発生した位置及び時刻を特定してもよい。
次に、図24を参照して、第9の実施形態に係る光子検出装置の構成について説明する。図24は、第9の実施形態に係る光子検出装置の詳細構成を示すブロック図である。図24に示すように、第9の実施形態に係る光子検出装置は、図23に示した第8の実施形態と図22に示した第7の実施形態とを組み合わせた構成を有している。
20 アドレス情報生成回路
30、31、31a、31b、32 時間情報生成回路
ADC、ADC1~ADCn、ADC31~ADC34 アナログ/デジタル変換器
ADC11、ADC11a、ADC11b、ADC12 アナログ/デジタル変換器
AND ANDゲート
BE、BE30 バイナリエンコーダ
BUF バッファ回路
CMP1~CMPn コンパレータ
C1~C4、Ca、Cb コンデンサ
CS、CS1、CS11、CS31~CS34、CSa、CSb、CSy 電流源
DFF1~DFF3 Dフリップフロップ
Cp1~Cpn 寄生容量
Cp11~Cp13、・・・、Cpn1~Cpn3 寄生容量
DC、DC11~DC13、・・・、DC41~DC43 遅延回路
DC1~DCn、DC1a~DCna、DC1b~DCnb 遅延回路
DL1~DL(n-1)、DL1b~DL(n-1)b 遅延線路
DSC DC/SFQ変換器
FED 立ち下がりエッジ検出回路
INV インバータ
J1、J2、J11~J13 ジョセフソン接合
L1、L2、L11~L16、L31~L34、Lq インダクタ
L11~L13、L21~L23、・・・、Ln1~Ln3 インダクタ
L、La、Lb、Ly、L1~Ln インダクタ
Lout 出力インダクタ
Lx1、Lx2 励磁インダクタ
MC1~MCn 磁気結合素子
OR、OR1、OR2 ORゲート
PSC パラレル/シリアル変換器
QSC1~QSC4 QFP/SFQ変換器
R、Ra、Rb、Rs、R1~Rn、R31~R33 抵抗素子
R11、R11a、R11b、R12 抵抗素子
Rt1~Rt4、Rta、Rtb 終端抵抗
RED 立ち上がりエッジ検出回路
Rm マッチング抵抗
RST リセット回路
SQ1~SQn、SQ11~SQ1k、SQ21~SQ2k SQUID素子
SQ11~SQ13、・・・、SQn1~SQn3 SQUID素子
SQ1a~SQna、SQ1b~SQnb SQUID素子
SS SSPD素子
TL11~TL1n 第1伝送経路
TL2、TL2a、TL2b 第2伝送経路
TL31~TL33 第3伝送経路
TL4 第4伝送経路
VD1、VD11、VD11a、VD11b、VD12、VD2 電圧ドライバ
Claims (15)
- 複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路に接続され、前記検出電流に基づいて、当該検出電流を出力した超伝導光子検出素子を特定するアドレス情報信号を生成するアドレス情報生成回路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された第2伝送経路と、
前記第2伝送経路に接続され、前記検出電流に基づいて、前記複数の超伝導光子検出素子へ光子が入射した時間を示す時間情報信号を生成する時間情報生成回路と、を備えた、
光子検出装置。 - 前記第2伝送経路は、複数の直流SQUID素子を備え、
前記第2伝送経路は、前記複数の直流SQUID素子を介して、前記複数の第1伝送経路と磁気結合されている、
請求項1に記載の光子検出装置。 - 前記複数の直流SQUID素子のそれぞれは、一対のジョセフソン接合の間にインダクタを有し、
前記複数の第1伝送経路には、それぞれインダクタが設けられており、
前記直流SQUID素子のインダクタと、前記第1伝送経路のインダクタとが磁気結合されている、
請求項2に記載の光子検出装置。 - 前記アドレス情報生成回路は、前記複数の第1伝送経路のそれぞれに接続された複数のアナログ/デジタル変換器を備え、
前記アナログ/デジタル変換器が備える論理回路が、交流電流駆動型の超伝導論理回路のみから構成されている、
請求項1~3のいずれか一項に記載の光子検出装置。 - 前記交流電流駆動型の超伝導論理回路が、AQFP回路である、
請求項4に記載の光子検出装置。 - 前記時間情報生成回路が備える論理回路が、直流電流駆動型の超伝導論理回路のみから構成されている、
請求項1~5のいずれか一項に記載の光子検出装置。 - 前記直流電流駆動型の超伝導論理回路が、RSFQ回路である、
請求項6に記載の光子検出装置。 - 前記超伝導光子検出素子が、SSPD素子である、
請求項1~7のいずれか一項に記載の光子検出装置。 - 複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された第2伝送経路と、
前記第2伝送経路上において、隣接する前記第1伝送経路の間にそれぞれ設けられた複数の遅延回路と、を備え、
前記検出電流に応じて、前記第2伝送経路の一端から第1のパルス信号が出力されると共に、前記第2伝送経路の他端から第2のパルス信号が出力され、
前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の差に基づいて、前記検出電流を出力した超伝導光子検出素子が特定可能であると共に、前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の和に基づいて、前記検出電流の発生時刻が特定可能である、
光子検出装置。 - 複数の超伝導光子検出素子が配置された超伝導光子検出素子アレイと、
前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれに接続され、前記複数の超伝導光子検出素子のそれぞれから出力された検出電流を伝送する複数の第1伝送経路と、
前記複数の第1伝送経路の全てと磁気結合された一対の第2伝送経路と、
前記一対の第2伝送経路のそれぞれにおいて、隣接する前記第1伝送経路の間にそれぞれ設けられた複数の遅延回路と、を備え、
前記検出電流に応じて、前記一対の第2伝送経路のそれぞれの一端から第1のパルス信号と第2のパルス信号とが出力され、
前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の差に基づいて、前記検出電流を出力した超伝導光子検出素子が特定可能であると共に、前記第1及び第2のパルス信号の出力時刻の和に基づいて、前記検出電流の発生時刻が特定可能である、
光子検出装置。 - 前記複数の第1伝送経路のそれぞれは、前記第2伝送経路に設けられた少なくとも1つの直流SQUID素子を介して、前記第2伝送経路と磁気結合されている、
請求項9又は10に記載の光子検出装置。 - 前記複数の第1伝送経路のそれぞれは、前記第2伝送経路に設けられた複数の直流SQUID素子を介して、前記第2伝送経路と磁気結合されている、
請求項9又は10に記載の光子検出装置。 - 前記複数の直流SQUID素子同士が、インダクタを介して直列に接続されている、
請求項12に記載の光子検出装置。 - 前記直流SQUID素子は、一対のジョセフソン接合の間にインダクタを有し、
前記複数の第1伝送経路のそれぞれには、インダクタが設けられており、
前記直流SQUID素子のインダクタと、前記第1伝送経路のインダクタとが磁気結合されている、
請求項11~13のいずれか一項に記載の光子検出装置。 - 前記超伝導光子検出素子が、SSPD素子である、
請求項9~14のいずれか一項に記載の光子検出装置。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019037650 | 2019-03-01 | ||
JP2019037650 | 2019-03-01 | ||
JP2019090365 | 2019-05-13 | ||
JP2019090365 | 2019-05-13 | ||
PCT/JP2020/007558 WO2020179554A1 (ja) | 2019-03-01 | 2020-02-26 | 光子検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2020179554A1 JPWO2020179554A1 (ja) | 2021-12-23 |
JP7344499B2 true JP7344499B2 (ja) | 2023-09-14 |
Family
ID=72337104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021503991A Active JP7344499B2 (ja) | 2019-03-01 | 2020-02-26 | 光子検出装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11656122B2 (ja) |
JP (1) | JP7344499B2 (ja) |
WO (1) | WO2020179554A1 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113742034A (zh) * | 2020-05-29 | 2021-12-03 | 北京沃东天骏信息技术有限公司 | 事件处理方法与装置、计算机可读存储介质、电子设备 |
EP4379332A1 (en) * | 2021-07-30 | 2024-06-05 | National Institute of Information and Communications Technology | Superconducting single photon detection system |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009232311A (ja) | 2008-03-25 | 2009-10-08 | National Institute Of Information & Communication Technology | 信号処理回路およびインターフェイス回路 |
JP2013156238A (ja) | 2012-02-01 | 2013-08-15 | National Institute Of Information & Communication Technology | 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 |
US9443576B1 (en) | 2015-11-09 | 2016-09-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Josephson magnetic random access memory with an inductive-shunt |
JP2017142146A (ja) | 2016-02-10 | 2017-08-17 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 信号処理回路 |
JP2018194518A (ja) | 2017-05-22 | 2018-12-06 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 周波数多重読出装置及びその設計方法 |
CN109813428A (zh) | 2019-01-28 | 2019-05-28 | 南京大学 | 一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0980138A (ja) * | 1995-09-14 | 1997-03-28 | Hitachi Ltd | Squidセンサ |
JP5846626B2 (ja) * | 2011-07-12 | 2016-01-20 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 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 |
US10622032B2 (en) * | 2015-12-08 | 2020-04-14 | Rambus Inc. | Low power signaling interface |
JP6684400B2 (ja) * | 2016-10-31 | 2020-04-22 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 超伝導単一光子検出器 |
-
2020
- 2020-02-26 JP JP2021503991A patent/JP7344499B2/ja active Active
- 2020-02-26 WO PCT/JP2020/007558 patent/WO2020179554A1/ja active Application Filing
- 2020-02-26 US US17/310,931 patent/US11656122B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009232311A (ja) | 2008-03-25 | 2009-10-08 | National Institute Of Information & Communication Technology | 信号処理回路およびインターフェイス回路 |
JP2013156238A (ja) | 2012-02-01 | 2013-08-15 | National Institute Of Information & Communication Technology | 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 |
US9443576B1 (en) | 2015-11-09 | 2016-09-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Josephson magnetic random access memory with an inductive-shunt |
JP2017142146A (ja) | 2016-02-10 | 2017-08-17 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 | 信号処理回路 |
JP2018194518A (ja) | 2017-05-22 | 2018-12-06 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 周波数多重読出装置及びその設計方法 |
CN109813428A (zh) | 2019-01-28 | 2019-05-28 | 南京大学 | 一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2020179554A1 (ja) | 2020-09-10 |
US20220136895A1 (en) | 2022-05-05 |
JPWO2020179554A1 (ja) | 2021-12-23 |
US11656122B2 (en) | 2023-05-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7344499B2 (ja) | 光子検出装置 | |
US10911031B2 (en) | Superconducting circuit for processing input signals | |
US9887700B2 (en) | Phase-mode based superconducting logic | |
US10331163B1 (en) | Superconducting integrated circuits with clock signals distributed via inductive coupling | |
CN112136275B (zh) | 复合超导量子干涉设备输出放大器和方法 | |
JP2002344307A (ja) | 単一磁束量子論理回路および単一磁束量子出力変換回路 | |
US10447279B1 (en) | Inverting phase-mode logic flip-flops | |
US6653962B2 (en) | Superconducting dual function digitizer | |
JP6919067B2 (ja) | 大規模ファンインrqlゲート | |
JP2002162484A (ja) | 時間長をディジタル量に変換する装置 | |
SE512591C2 (sv) | Anordning och förfarande avseende digital information | |
JP2002330065A (ja) | マルチチップ超伝導体回路用の高感度自己クロック式受信機 | |
Krylov et al. | Globally asynchronous, locally synchronous clocking and shared interconnect for large-scale SFQ systems | |
US10367483B1 (en) | Josephson current source system | |
US7098697B2 (en) | Low voltage high-speed differential logic devices and method of use thereof | |
Herr et al. | Implementation and application of first-in first-out buffers | |
JP2022173992A (ja) | 磁束スイッチシステム | |
WO2017138306A1 (ja) | 信号処理回路 | |
US6559786B2 (en) | Circuit arrangement for conversion of an input current signal to a corresponding digital output signal | |
JP4116978B2 (ja) | 超電導ラッチ・ドライバ回路 | |
JP3582407B2 (ja) | アービタ回路及びアービタシステム | |
JP2005333508A (ja) | 信号変換装置およびドライバ装置 | |
JPS58166074A (ja) | サ−マルヘツド | |
Luo et al. | Sigmoid function generator using stochastic adiabatic superconductor logic | |
JP2005259812A (ja) | 超電導sfq回路 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20210825 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221118 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230113 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230808 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230824 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7344499 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |