WO2023149331A1 - 光子数識別装置及び方法 - Google Patents

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photon number
electrical signal
light
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護 遠藤
一真 高橋
明 古澤
茂人 三木
弘高 寺井
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National Institute of Information and Communications Technology
University of Tokyo NUC
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National Institute of Information and Communications Technology
University of Tokyo NUC
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    • 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
    • G01J1/02—Details
    • 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
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to a photon number identification device and method.
  • a photon number discriminator which can measure the number of photons in incident light, is expected to be used in various fields such as quantum optics, extremely weak light measurement, and optical sensing as an optical power meter to accurately measure the power of an optical signal. ing.
  • special quantum states non-Gaussian quantum states
  • a pseudo photon number discriminator has been used in the past by temporally or spatially multiplexing single photon detectors that can discriminate only the presence or absence of photons. was attempted to construct.
  • photodetection sensors with such a single-pixel photon number discrimination performance include a superconducting transition edge sensor (TES) and a superconducting nanostrip photon detector (SNSPD). )It has been known. Note that the “nanostrip” in the name of SNSPD is sometimes written or called “nanowire”, but the term “nanostrip” used in the present disclosure includes “nanowire”, and both are equivalent. shall be
  • TES measures the number of photons from the temperature rise when photons are incident on a metal thin film cooled to near the superconducting transition temperature, and has achieved a detection efficiency of nearly 100%. can be identified.
  • TES requires a special device called a superconducting quantum interferometer to read out photon signals, and due to its limited response speed, the time resolution of TES is several nanoseconds or more even with the fastest device. end up
  • the operating temperature of the metal thin film used for TES is on the order of 100 mK, and large-sized refrigerators such as adiabatic demagnetization refrigerators and dilution refrigerators are required, which limits the environment in which the entire system can be installed. put away.
  • SNSPDs are expected to be used in various fields such as the above-mentioned quantum information communication, quantum optics, and extremely weak light sensors as photon detectors capable of high sensitivity, low noise, and high speed operation.
  • a wire-shaped light receiving portion called a nanostrip arranged in a predetermined light receiving surface area is used as a light detecting element.
  • the light-receiving portion is formed of ultrafine wires such as niobium nitride (NbN), titanium niobium nitride (NbTiN), tungsten silicide (WSi), molybdenum silicide (MoSi), etc., and functions as a photodetector in a superconducting state.
  • wires such as niobium nitride (NbN), titanium niobium nitride (NbTiN), tungsten silicide (WSi), molybdenum silicide (MoSi), etc.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 The time resolution of such an SNSPD type photon number discriminator is on the order of 10 ps, and it has a response characteristic about 100 times faster than that of the TES described above.
  • the light-receiving part used in the SNSPD can be operated by, for example, a small pulse tube refrigerator or a Gifford-McMahon (GM) refrigerator, thereby reducing the size of the entire system and saving space. have the great advantage of obtaining
  • the portion of the signal waveform measured by the SNSPD that contains information on the number of photons is only a portion of about 100 ps at the rising edge.
  • a low-speed measurement system equipped with an instrument there is a problem that accurate photon number discrimination cannot be performed.
  • Complex processing using a high-speed, special measurement system for example, a combination of a high-speed AD converter and a high-speed circuit such as FPGA or ASIC) is indispensable, and the cost tends to increase.
  • the present disclosure has been made in view of such circumstances, and is capable of reducing the influence of noise while maintaining the excellent optical response characteristics (photodetection characteristics) of SNSPD, and providing a low-speed, narrow band. Even if the measurement system is used, it is possible to achieve accurate and simple photon number discrimination, and by these, a photon number discrimination device and method that are excellent in economic efficiency, operability, and versatility intended to provide
  • An example of a photon number identification device is a device for identifying the number of photons contained in an optical signal from a light source, and is a single-pixel nanostrip arranged on a predetermined light receiving surface area. and a photodetector that, in a superconducting state, generates an electrical signal corresponding to the optical signal; a photodetector unit including a vibration imparting unit having electrical circuit characteristics to be imparted to the electrical signal; a power supply unit that supplies a bias current to the photodetector unit; an amplifier unit that amplifies the electrical signal; and the photodetector unit. and a cryostat that accommodates the amplifying section and operates at a temperature at which the light receiving section exhibits a superconducting state.
  • a configuration equivalent to the photodetector element of the SNSPD that is cooled by the cryostat so as to be in a superconducting state can be adopted as the light receiving section.
  • an amplitude vibration component corresponding to the number of photons that is, a vibration characteristic component
  • the electrical signal output from the photodetector is superimposed with a plurality of components having different amplitude oscillations depending on the number of photons, and lasts, for example, about 10 ns or more. Show the waveform.
  • the high-speed signal processing of the rising portion required in the SNSPD becomes unnecessary, and based on the number of amplitude oscillation components with different intensities in the electrical signal from the photodetector or its amplified signal waveform, the number of photons Identification and counting are possible.
  • the frequency of the amplitude vibration component is expressed by the following formula (1);
  • the light detection unit in the present disclosure can be regarded as an equivalent circuit in which both the light receiving unit and the vibration applying unit have predetermined inductances Ls and Lc and predetermined capacitances (parasitic capacitances) Cs and Cc as internal elements like electrical elements. Therefore, the connection between the two generates the resonance frequency represented by the above formula (1), and with such a simple element structure, an amplitude vibration component is added to the electrical signal generated by the light receiving section, and noise can be suppressed as much as possible.
  • the vibration imparting section may be made of the same material as or the same material as the light receiving section. In this way, it becomes easier to pattern the light-receiving section and the vibration-applying section, and it becomes easier to perform structural and performance simulations and actual designs.
  • the vibration applying section may be formed of a nanostrip having a shape different from that of the nanostrip of the light receiving section. In this way, it becomes easier to pattern the light receiving section and the vibration imparting section, and it becomes easier to perform structure and performance simulation and actual design.
  • the line width of the nanostrips of the vibration imparting part is made thicker than the line width of the nanostrips of the light receiving part, and the spacing of the nanostrips of the vibration imparting part is set to be equal to that of the nanostrips of the light receiving part. may be wider than the interval between According to the knowledge of the present inventors, by adopting such a configuration, it becomes easier to impart the above-described amplitude vibration component to the electrical signal from the light receiving section, and in the electrical signal waveform, It was confirmed that it becomes easier to distinguish amplitude components more clearly.
  • the light receiving section and the vibration imparting section may be formed of meander wiring formed by repeating meandering wiring a plurality of times. In this way, the formation area of the light receiving section and the vibration imparting section using nanostrips can be narrowed, and the light detection section can be made thinner and smaller.
  • the above aspect may further include a signal processing section connected to the amplification section, receiving an amplified signal of the electrical signal, and discriminating the amplitude oscillation components having different intensities in the amplified signal waveform.
  • a signal processing section connected to the amplification section, receiving an amplified signal of the electrical signal, and discriminating the amplitude oscillation components having different intensities in the amplified signal waveform.
  • an attenuator connected between the photodetector and the amplifier to receive the electrical signal and attenuate the electrical signal, and/or a predetermined frequency component of the electrical signal.
  • You may further have a filter part which filters.
  • the attenuator can appropriately adjust and control information on the number of photons contained in the electrical signal from the photodetection so as to be suitable for subsequent signal processing.
  • the filter unit bandpass filter, etc.
  • an example of the photon number identification method according to the present disclosure is a method that can be suitably implemented using the photon number identification device according to the present disclosure. That is, the present example is a method for discriminating the number of photons contained in an optical signal from a light source, comprising the steps of providing a photon number discriminating apparatus according to the present disclosure; said power supply unit supplying a bias current to said photodetector unit; and said light receiving unit of said photodetector unit generating an electrical signal corresponding to said optical signal in a superconducting state. , the vibration imparting section of the photodetector imparting an amplitude vibration component corresponding to the number of photons to the electrical signal, and the amplifying section amplifying the electrical signal.
  • the photon number identification device may further include the signal processing unit, and the signal processing unit may further include a step of discriminating the amplitude oscillation components of different intensities in the amplified signal waveform. good.
  • the above aspect may further include the step of changing the amplitude vibration component corresponding to the number of photons by changing the electrical circuit characteristics of the vibration applying section.
  • the resonance frequency fr shown by the above formula (1) of the photodetector changes, and as a result, the frequency, amplitude, waveform shape, degeneracy number, etc. of the electrical signal having an amplitude oscillation component corresponding to the number of photons
  • one “unit” or “device” (a concept that can be rephrased as “machine”, “device”, “means”, “mechanism”, “system”, etc. The same applies hereinafter).
  • the functions possessed by those constituent parts or constituent elements may be realized by two or more physical means or devices, or two or more "parts” or “devices” and their constituent parts or the functions of the components may be realized by one physical means, device, or the like.
  • the photodetector is configured by connecting the vibration imparting unit to the photodetector having the same configuration as the photodetector of the SNSPD, so the excellent photoresponse characteristics of the SNSPD can be maintained as they are.
  • the vibration imparting section imparts amplitude vibration components having different intensities according to the number of photons to the electrical signal from the light receiving section, and the number of photons can be identified and counted based on the number.
  • the waveform having this amplitude oscillation lasts for about 10 ns or more, for example. Therefore, the high-speed signal processing of the rising portion, which is required in SNSPD, is not necessary.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of an example of a photon number identification device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 2 is a partially enlarged view showing an enlarged light receiving sensor 1 in FIG. 1
  • FIG. 3 is a partially enlarged view showing a further enlarged portion of the light receiving sensor 1 shown in FIG. 2 (partially omitted).
  • FIG. 3 is a circuit model diagram showing an example of an equivalent circuit of a light receiving sensor
  • 1 is a schematic block diagram showing an example of a hardware configuration of a photon number identification device according to an embodiment of the present disclosure
  • 4 is a graph showing an example of a simulation result of an electrical signal output from a light receiving sensor of a photon number identification device according to an embodiment of the present disclosure
  • 4 is a graph showing actual measurement results (Example 1) of an electrical signal output from a light receiving sensor of the photon number identification device according to the embodiment of the present disclosure.
  • 8 is a histogram in Example 1 shown in FIG. 7
  • 7 is a graph showing actual measurement results (Example 2) of an electrical signal output from a light receiving sensor of the photon number identification device according to the embodiment of the present disclosure. It is a histogram in Example 2 shown in FIG.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of an example of a photon number identification device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the photon number identification device 100 is a device for executing the photon number identification method according to the present disclosure.
  • an attenuator 2, a bias tee 3, and an amplifier 4 connected in series to the .
  • These light receiving sensor 1, attenuator 2, bias tee 3, and amplifier 4 are accommodated and installed inside the refrigerator cryostat CR.
  • the bias tee 3 is connected to a constant current source 5 provided outside the refrigerator cryostat CR. of bias current is applied.
  • the output side of the amplifier 4, the constant current source 5, and the refrigerator cryostat CR are connected to a controller 6 provided outside the refrigerator cryostat CR.
  • a controller 6 provided outside the refrigerator cryostat CR.
  • the connection between each element device inside and outside the cryocooler cryostat CR is wired by a coaxial cable.
  • a state in which wiring is connected by a coaxial cable K is illustrated.
  • a measuring instrument such as an oscilloscope for observing the waveform of the output signal may be used. , can operate independently of the constant current source 5 and the refrigerator cryostat CR, so connection may be unnecessary.
  • the photon number identification device 100 the light receiving sensor 1, the attenuator 2, the amplifier 4, the control unit 6 (including a measurement and signal processing unit such as an oscilloscope), and the refrigerator cryostat CR are each included in the present disclosure. It corresponds to an example of the “photon number identification device”, “photodetector”, “attenuator”, “amplifier”, “signal processor”, and “cryostat” in . Also, the bias tee 3 and the constant current source 5 correspond to an example of the "power supply section" in the present disclosure.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view showing the light receiving sensor 1 in FIG. 1
  • FIG. 3 is a partially enlarged view showing a further enlarged portion of the light receiving sensor 1 shown in FIG. partially omitted).
  • the light-receiving sensor 1 includes a light-receiving portion 11 formed of a single-pixel superconducting nanostrip arranged on a predetermined light-receiving surface area for receiving the optical signal LB, and a light-receiving portion 11 formed of, for example, the same kind of superconducting nanostrip. It has a configuration in which the vibration applying units 12 are connected in series.
  • the light receiving section 11 is made of the same material and has the same shape as the photodetector element in the SNSPD
  • the vibration imparting section 12 is made of the same material and has a shape similar to that of the light receiving section 11, although the shape is different from that of the light receiving section 11. .
  • the photon number discriminating device 100 can be called a superconducting nanostrip (SN) type photon number discriminating device. can.
  • the light receiving section 11 and the vibration imparting section 12 are formed of meandering wiring, which is formed by repeating meandering wiring of nanostrip material a plurality of times. Further, as shown in FIG. 3, the nanostrips forming the wirings of the light receiving section 11 and the vibration imparting section 12 are formed so as to satisfy the relationships represented by the following formulas (A) and (B). there is
  • FIG. 4 is a circuit model diagram showing an example of an equivalent circuit of the light receiving sensor 1.
  • Ls and Cs indicate the inductance and capacitance (parasitic capacitance) of the light receiving section 11, respectively
  • Lc and Cc indicate the inductance and capacitance (parasitic capacitance) of the vibration imparting section 12, respectively
  • RN indicates the light
  • the normal conduction resistance depending on the number of photons incident on the light receiving section 11 from the signal LB is shown.
  • Non-Patent Document 2 for example, it is known that the normal conducting resistance RN of the light receiving section 11 is proportional to the square root of the number of photons. Also, in FIG.
  • SW indicates a switch that models breaking of the superconducting state by incident photons.
  • the vibration imparting section 12 can be regarded as a kind of choke coil or inductor because it has equivalently parallel-connected inductance and capacitance components.
  • the switch SW is closed before photodetection, ie in the superconducting state (SC), and a bias current flows through the switch SW.
  • SC superconducting state
  • N normal conducting state
  • the switch SW opens and the bias current flows through the normal conducting resistor RN , so that the voltage corresponding to its magnitude is will occur.
  • the resonance frequency fr of this equivalent circuit can be described by the following formula (1), and from this, the electric signal (voltage signal) output from the light receiving sensor 1 has this resonance frequency fr or An amplitude (voltage) oscillatory component can occur.
  • the vibration applying unit 12 by connecting the vibration applying unit 12 to the light receiving unit 11, the resonance frequency fr represented by the following formula (1) corresponding to the number of photons incident on the light receiving unit 11, or the frequency based on the resonance frequency fr is applied to the electrical signal generated by the light receiving section 11 .
  • the shape parameters that affect the electrical circuit characteristics of the vibration applying unit 12, that is, the width, spacing, and total length of the nanostrips that constitute the vibration applying unit 12, and the overall width and height of the vibration applying unit 12 By adjusting at least one of them, the inductance and/or the capacitance of the vibration applying section 12 can be adjusted, so it is understood from the above formula (1) that the resonance frequency fr can be changed as desired. Therefore, by changing the electrical circuit characteristics of the vibration imparting section 12 in this way, it is possible to change the amplitude vibration component imparted to the electrical signal generated by the light receiving section 11 .
  • the resonance frequency fr is lowered, thereby increasing the number of measurable photons. can improve the photon number discrimination performance.
  • FIG. 5 is a schematic block diagram showing an example of the hardware configuration of the photon number identification device 100 according to an embodiment of the present disclosure from the viewpoint of a control system.
  • the photon number discriminating device 100 includes the light receiving sensor 1, the attenuator 2, the bias tee 3, the amplifier 4, the constant current source 5, the amplifier 4 and the constant current source 5 of the refrigerator cryostat CR, and the external storage device 7. It has a configuration in which the control unit 6 is connected to and.
  • the external storage device 7 can electromagnetically store the electrical signal waveforms output from the amplifier 4, various calculation and calculation data, and the like.
  • control unit 6 includes a control calculation unit 61, a communication interface (I/F) unit 62, a storage unit 63, an input unit 64, and an output unit 65. These units communicate with each other via a bus line 66. can be connected as possible.
  • a measuring instrument such as an oscilloscope for observing the waveform of an output signal
  • each of these units is the measuring/signal processing unit.
  • the communication I/F unit 62 can be regarded as a part responsible for an AD conversion function in an oscilloscope or the like.
  • the control calculation unit 61 includes a CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), etc. control each component and perform various calculations.
  • the communication I/F unit 62 is, for example, a communication module for communicating with other components by wire or wirelessly.
  • the communication method used by the communication I/F unit 62 for communication is not particularly limited and is arbitrary, and examples thereof include LAN (Local Area Network) and USB (Universal Serial Bus). Lines can also be applied.
  • the amplifier 4, the constant current source 5, and the external storage device 7 are all provided to be able to communicate with the control calculation section 61 and the like via the communication I/F section 62.
  • the storage unit 63 is an auxiliary storage device such as a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), etc., and various programs executed by the control operation unit 61 (control of the constant current source 5, , a control operation program for executing processing of the electrical signal output from the amplifier 4, etc.), the waveform of the electrical signal output from the amplifier 4, other various computation results, and data including setting parameters. Further, the data and the like stored in the storage unit 63 may be stored in the external storage device 7 as appropriate.
  • HDD hard disk drive
  • SSD solid state drive
  • the input unit 64 is an interface device for receiving various input operations from the user using the photon number identification device 100, and includes, for example, a mouse, keyboard, touch panel, an oscilloscope operation panel, buttons, switches, etc., and It can be implemented by a voice microphone, an external memory, or the like.
  • the output unit 65 is an interface device for informing the user or the like using the photon number identification device 100 of various information by means of its display, audio output, print output, etc., such as a display, a speaker, a printer, etc. can be realized with
  • the light sensor 1 in the cryocooler cryostat CR is cooled to a superconducting state by a command or the like from the control calculation unit 61 of the control unit 6, and the light sensor A bias current is applied to 1 from a bias tee 3 .
  • a light signal LB is sent from the light source L to the light receiving portion 11 of the light receiving sensor 1
  • a voltage corresponding to the amount of incident light is generated.
  • the voltage signal is passed through the attenuator 2 and the bias tee 3 as an electric signal and then amplified by the amplifier 4.
  • the amplified electric signal is output to the controller 6 and the output signal waveform is observed.
  • the electrical signal generated by the light receiving unit 11 includes an amplitude vibration component corresponding to the number of photons incident on the light receiving unit 11 (that is, components with amplitude intensities) are given.
  • the electrical signal having amplitude oscillation components obtained in this way is a superposition of a plurality of components having amplitude oscillations with different intensities depending on the number of photons over time.
  • output signal voltage vertical Axis: Arbitrary unit
  • the equivalent circuit shown in FIG. 4 was used as a circuit model to estimate the output signal waveform during photon detection.
  • the inductance Ls of the light receiving section 11 was set to 1.6 ⁇ H, and the capacitance Cs was set to 22.4 fF.
  • Example 1 represented by the solid line G0 shows the output signal waveform when the vibration imparting section 12 does not exist or when the inductance Lc and the capacitance Cc are negligible compared to the light receiving section 11 (in this respect, the reference example or the comparative example example.).
  • FIG. 7 is a graph showing the actual measurement result (Example 1) of the electrical signal output from the light receiving sensor 1 of the photon number identification device 100 according to an embodiment of the present disclosure. Changes in output signal voltage (vertical axis: arbitrary unit) are shown.
  • this example shows actual measurement results corresponding to the same parameter conditions as example 2 (one-dot chain line G1) in the simulation results shown in FIG.
  • This result indicates that the output signal waveform of the light-receiving sensor 1 has an amplitude oscillation component, and that the number of photons can be identified from the difference in amplitude.
  • the guideline of the part corresponding to 0 photons, 1 photon, and 2 or more photons is shown.
  • Example 8 shows a histogram of the output signal waveform shown in FIG. 7 at a time of 126.9 ns (the time position indicated by the dashed line on the horizontal axis in FIG. 7). Vertical axis: frequency) is plotted. From this result, it was found that under the conditions of Example 1 using the photon number identification device 100, 0 photons and 1 photons can be clearly distinguished. It was confirmed that the number of photons could be identified and counted.
  • FIG. 9 is a graph showing actual measurement results (Example 2) of the electrical signal output from the light receiving sensor 1 of the photon number identification device 100 according to an embodiment of the present disclosure. It was obtained in the same manner as in Example 1, except that the inductance Lc of the applying portion 12 was set to 800 nH and the capacitance Cc was set to 5.4 fF (corresponding to the resonance frequency fr of 1.31 GHz). That is, this example shows actual measurement results corresponding to the same parameter conditions as Example 3 (broken line G2) in the simulation results shown in FIG. This result also shows that the output signal waveform of the light-receiving sensor 1 has an amplitude oscillation component, and that the number of photons can be identified from the difference in amplitude. In addition, in FIG. 9, the guideline of the site
  • the photon number identification device 100 can separate two-photon and three-photon or more components, which could not be distinguished by the conventional method, by expressing the amplitude oscillation part, so to speak. bottom.
  • the vibration imparting section 12 is attached to the light receiving section 11 having the same configuration as the light detecting element (light receiving section) of the SNSPD. Since the connected light-receiving sensor 1 is provided, the excellent optical response characteristic of the SNSPD can be maintained as it is, and the existing SNSPD can be used almost as it is.
  • the vibration imparting unit 12 imparts amplitude vibration components with different intensities according to the number of photons to the electrical signal from the light receiving sensor 1, and the number of photons can be identified and counted based on the number. Furthermore, a waveform with this amplitude oscillation can last for example on the order of 10 ns or longer.
  • a filter section such as a bandpass filter may be provided after the light receiving sensor 1 .
  • the photon number identification device 100 information on the number of photons can be obtained from the amplitude vibration component of the electrical signal output from the light receiving sensor 1. Therefore, even if the electrical noise is large, the noise component can be filtered out by the filter unit. By cutting and extracting only the amplitude oscillation component, more highly accurate photon number identification can be realized.
  • the materials and shapes of the light receiving section 11 and the vibration imparting section 12 may be different from each other as long as an equivalent circuit as shown in FIG. 4 can be formed. Furthermore, if amplitude vibration can be imparted to the electrical signal from the light receiving section 11 using a circuit other than the equivalent circuit shown in FIG. good.
  • all or part of the light receiving sensor 1, attenuator 2, bias tee 3, amplifier 4, and appropriate filter section may be integrated on a single substrate.
  • bias tees 3 and amplifiers 4 having various forms and functions can be used.
  • bias tees 3 may be incorporated in the amplifier 4, and the amplifier 4 cuts low frequency components. It may have a filter function.
  • a plurality of vibration imparting units 12 having different electrical circuit characteristics may be switchably connected to the light receiving unit 11 of a single pixel.
  • a high-speed measurement system may be used instead of a low-speed measurement system.
  • the signal processing up to the identification of the number of photons described in the first and second embodiments may be automated and executed by the control calculation unit 61 of the control unit 6 or other measurement/signal processing units.

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Abstract

光源からの光信号に含まれる光子数を識別するための装置であって、所定の受光面領域に配置された単一ピクセルのナノストリップから形成され、かつ、超伝導状態において光信号に対応する電気信号を生成する受光部、及び、受光部に接続され、かつ、光子数に対応する振幅振動成分を電気信号に付与する電気回路特性を有する振動付与部、を含む光検出部と、光検出部にバイアス電流を供給する電源部と、電気信号を増幅する増幅部と、光検出部及び増幅部が収容され、受光部が超伝導状態を発現する温度で作動するクライオスタットを備える光子数識別装置を提供する。

Description

光子数識別装置及び方法
　本開示は、光子数識別装置及び方法に関する。
　入射光の光子数を測定することができる光子数識別器は、光信号のパワーを正確に測定するための光パワーメータとして、量子光学、極微弱光測定、光センシング等の各分野で期待されている。特に、連続量光量子情報処理において、光子数を測定することによって生成し得る特殊な量子状態（非ガウス型量子状態）は、誤り耐性型万能（汎用）量子コンピュータにとって不可欠な状態である。そのための光子数識別器を実現する手法として、古くは、光子の有無のみを判別することができる単一光子検出器を時間的又は空間的に多重化することにより、擬似的な光子数識別器を構成することが試みられた。しかし、近年の研究によれば、かかる手法では一つのセンサに２光子以上入力した場合がエラーとなってしまうため、生成される非ガウス型状態の純度が下がり、非現実的であることが判明している。そこで、高速、高精度、及び多光子識別可能な光子数識別器を、複数の光検出センサを用いた多重化に依らず、すなわち単一ピクセルの光検出センサで実現することが熱望されてきた。
　現在のところ、このような単一ピクセルで光子数識別性能を有する光検出センサとしては、超伝導転移端センサ（ＴＥＳ：Transition Edge Sensor）や超伝導ナノストリップ光子検出器（ＳＮＳＰＤ：Superconducting NanStrip Photon Detector）が知られている。なお、ＳＮＳＰＤの名称における「ナノストリップ」は、「ナノワイヤ（Nanowire）」と表記又は呼称されることもあるが、本開示で用いる「ナノストリップ」との用語は「ナノワイヤ」を含み、両者は均等なものとする。
　これらのうちＴＥＳは、超伝導転移温度付近まで冷却した金属薄膜に光子が入射した際の温度上昇から光子の数を測定し、１００％近い検出効率も実現されており、概ね２０個以上の光子を識別することができる。しかし、ＴＥＳでは、光子信号の読み出しに超伝導量子干渉計と呼ばれる特別な素子計器が必要であり、その応答速度の制限から、ＴＥＳの時間分解能は最も高速と思われる素子でも数ｎｓ以上となってしまう。また、ＴＥＳに用いられる金属薄膜の動作温度は１００ｍＫのオーダーであり、断熱消磁冷凍機や希釈冷凍機といった大型の冷凍機が必要となるため、システム全体を設置することができる環境が制約されてしまう。
　一方、ＳＮＳＰＤは、高感度、低雑音かつ高速動作可能な光子検出器として、前述の量子情報通信、量子光学、極微弱光センサ等の様々な分野への利用が期待されている。ＳＮＳＰＤにおいては、光検出素子として、所定の受光面領域に配置されたナノストリップと呼ばれる配線状の受光部分が用いられる。この受光部分は、例えば窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化チタンニオブ（ＮｂＴｉＮ）、ケイ化タングステン（ＷＳｉ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ）等の極細線で形成され、超伝導状態において光検出素子として機能する。
　ところで、ＳＮＳＰＤは、導入初期においては、入射光子の有無のみを判別する光検出センサとして広く使用されてきたが、出力信号の形状、特に立ち上がり部分の波形の相違から、光子数を測定可能な光子数識別器としても使用できることが、近年の研究によって明らかになってきている（例えば非特許文献１～３）。このようなＳＮＳＰＤ型の光子数識別器の時間分解能は１０ｐｓオーダーであり、前述したＴＥＳに比して、１００倍程度高速での応答特性を有している。また、ＳＮＳＰＤに用いられる上記受光部分は、例えば、小型のパルスチューブ冷凍機やギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機等によって作動可能であり、これによりシステム全体の規模を小型化して省スペース化を図り得るという大きな利点を有する。
C. Cahall et al., Optica 4, 1534-1535 (2017) K. L. Nicolich et al., Phys. Rev. Appl. 12, 034020 (2019) M. Endo et al., Opt. Express 29, 11728-11738 (2021)
　しかし、ＳＮＳＰＤで測定される信号波形のうち光子数の情報を有するは、立ち上がりの１００ｐｓ程度の部分でしかないことが判明しており、そのため、ＳＮＳＰＤの後段に、帯域が十分に広くない増幅回路や計器を備える低速の測定系を用いる場合には、正確な光子数識別ができないという問題があった。換言すれば、ＳＮＳＰＤにより従来の手法で光子数の情報を得るには、１００ｐｓオーダー以下の時間単位で信号波形をリアルタイムで解析しなければならず、また、雑音の影響も受け易いため、非常に高速で特殊な測定系（例えば、高速ＡＤ変換器とＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ等の高速回路との組み合わせ等）による複雑な処理が不可欠であり、コストも増大する傾向にあった。
　そこで、本開示は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ＳＮＳＰＤの優れた光応答特性（光検出特性）を保持しつつ、雑音の影響を軽減することができ、かつ、帯域が狭い低速の測定系を用いた場合でも、正確かつ簡便に優れた光子数識別性を実現することが可能であり、これらにより、経済性、操作性、及び汎用性にも優れる光子数識別装置及び方法を提供することを目的とする。
〔１〕本開示に係る光子数識別装置の一例は、光源からの光信号に含まれる光子数を識別するための装置であって、所定の受光面領域に配置された単一ピクセルのナノストリップから形成され、かつ、超伝導状態において前記光信号に対応する電気信号を生成する受光部、及び、前記受光部に（直列又は並列に）接続され、かつ、光子数に対応する振幅振動成分を前記電気信号に付与する電気回路特性を有する振動付与部、を含む光検出部と、前記光検出部にバイアス電流を供給する電源部と、前記電気信号を増幅する増幅部と、前記光検出部及び前記増幅部が収容され、前記受光部が超伝導状態を発現する温度で作動するクライオスタットを備える。
　かかる構成では、受光部として、クライオスタットによって超伝導状態となるように冷却されるＳＮＳＰＤの光検出素子と同等の構成を採用し得る。そして、その受光部に振動付与部を追設することにより、光源からの光信号を受信した受光部で生成する電気信号に、光子数に対応する振幅振動成分（すなわち光子数に応じた振動特性を有する成分）が付与される。よって、光検出部から出力される電気信号は、従来のＳＮＳＰＤからの出力信号とは異なり、各光子数に応じて異なる強度の振幅振動を有する複数の成分が重畳され、例えば１０ｎｓ程度以上持続する波形を示現する。従って、ＳＮＳＰＤで必要であった立ち上がり部分の高速での信号処理が不要となり、また、光検出部からの電気信号又はその増幅信号波形における強度が異なる振幅振動成分の数に基づいて、光子数の識別及び計数が可能となる。
〔２〕上記態様において、前記振幅振動成分の周波数は、下記式（１）；
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
で表される共振周波数ｆｒ、又は、該共振周波数ｆｒに基づく周波数であってもよい。
　本開示における光検出部は、受光部及び振動付与部が、ともにそれぞれ、電気素子的な内部要素として所定のインダクタンスＬｓ，Ｌｃと所定の容量（寄生容量）Ｃｓ，Ｃｃを有する等価回路と捉え得るので、両者の接続により、上記式（１）で表される共振周波数が生起され、このような簡便な素子構造により、受光部で生成される電気信号に振幅振動成分が付与され、かつ、雑音の発生を極力抑制することができる。
〔３〕上記態様において、より具体的には、前記振動付与部が、前記受光部と同等又は同種の材料から構成されてもよい。このようにすれば、受光部と振動付与部をパターン形成し易くなり、また、構造及び性能シミュレーションや実設計を行い易くなる。
〔４〕上記態様において、前記振動付与部を、前記受光部のナノストリップとは形状が異なるナノストリップから形成してもよい。このようにすれば、受光部と振動付与部を更にパターン形成し易くなり、また、構造及び性能シミュレーションや実設計を更に行い易くなる。
〔５〕上記態様において、前記振動付与部のナノストリップの線幅を、前記受光部のナノストリップの線幅よりも太くし、前記振動付与部のナノストリップの間隔を、前記受光部のナノストリップの間隔よりも広くしてもよい。本発明人の知見によれば、かかる構成を採用することにより、受光部からの電気信号に、前述した振幅振動成分をより一層付与し易くなり、また、電気信号波形において、光子数に応じた振幅成分をより明確に弁別し易くなることが確認された。
〔６〕上記態様において、更に具体的には、前記受光部及び前記振動付与部を、蛇行配線が複数回繰り返されて成るミアンダ配線から形成してもよい。このようにすれば、ナノストリップを用いた受光部及び振動付与部の形成面積を狭小化することができ、光検出部の軽薄化及び小型化を促進することができる。
〔７〕上記態様において、前記増幅部に接続され、前記電気信号の増幅信号を受信し、該増幅信号波形における強度が異なる前記振幅振動成分を弁別する信号処理部を更に備えてもよい。この信号処理部により、前記〔１〕で述べたような、光検出部からの電気信号の増幅信号波形における異なる強度の振幅振動成分の数に基づいた光子数の識別及び計数を、確実にかつ一層簡便に行うことができる。
〔８〕上記態様において、前記光検出部と前記増幅部との間に接続され、前記電気信号を受信し、該電気信号を減衰させる減衰部、及び／又は、該電気信号の所定の周波数成分をフィルタリングするフィルタ部を更に備えてもよい。この場合、減衰部により、光検出からの電気信号に含まれる光子数の情報を、その後の信号処理に適するように適宜調節制御することができる。また、本開示では、出力される電気信号の振幅振動成分から光子数の情報が得られるところ、たとえ電気的な雑音が大きい場合であっても、フィルタ部（バンドパスフィルタ等）によって雑音成分をカットして振幅振動成分のみを取り出すことができる。
〔９〕また、本開示に係る光子数識別方法の一例は、本開示に係る光子数識別装置を用いて好適に実施することができる方法である。すなわち、本例は、光源からの光信号に含まれる光子数を識別するための方法であって、本開示による光子数識別装置を準備するステップと、前記クライオスタットが、前記受光部が超伝導状態を発現する温度で動作するステップと、前記電源部が、前記光検出部にバイアス電流を供給するステップと、前記光検出部の前記受光部が、超伝導状態において前記光信号に対応する電気信号を生成するステップと、前記光検出部の前記振動付与部が、光子数に対応する振幅振動成分を前記電気信号に付与するステップと、前記増幅部が、前記電気信号を増幅するステップを含む。
〔１０〕上記態様において、前記光子数識別装置は、前記信号処理部を更に備えており、該信号処理部が、前記増幅信号波形における異なる強度の前記振幅振動成分を弁別するステップを更に含んでもよい。
〔１１〕上記態様において、前記振動付与部の電気回路特性を変更することにより、前記光子数に対応する振幅振動成分を変化させるステップを更に含んでもよい。このようにすれば、光検出部の上記式（１）で示す共振周波数ｆｒが変化し、その結果、光子数に応じた振幅振動成分を有する電気信号の周波数、振幅、波形形状、縮退数等といった種々の特性を調整し得る。
　なお、本開示において、１つの「部」や「装置」（「機」、「器」、「手段」、「機構」、「システム」等と言い換えることも可能な概念である。以下同様。）、及びそれらの構成部品や構成要素が有する機能が、２つ以上の物理的手段や装置等によって実現されてもよく、或いは、２つ以上の「部」や「装置」、及びそれらの構成部品や構成要素の機能が１つの物理的手段や装置等によって実現されてもよい。
　本開示によれば、ＳＮＳＰＤの光検出素子と同等の構成を有する受光部に振動付与部を接続することにより光検出部を構成するので、ＳＮＳＰＤの優れた光応答特性をそのまま保持することができる。また、振動付与部が、受光部からの電気信号に、光子数に応じた異なる強度の振幅振動成分を付与し、その数に基づいて、光子数の識別及び計数を行うことができる。さらに、この振幅振動を有する波形は、例えば１０ｎｓ程度以上持続する。よって、ＳＮＳＰＤで必要であった立ち上がり部分の高速での信号処理が不要となる。また、そのように高速での信号処理が不要であるので、複雑な信号処理に依らずとも雑音の影響を軽減しつつ、帯域が狭い低速の測定系を用いた場合でも、高分解能で優れた光子数識別性能を、簡易な構成で十分に実現することができる。その結果、光子数識別における経済性、操作性、及び汎用性を従来に比して格段に向上させることができ、かつ、従来の高速信号処理では困難であった多チャネル化も可能となる。
本開示の一実施形態に係る光子数識別装置の一例の概略構成を示す平面図である。 図１における受光センサ１を拡大して示す部分拡大図である。 図２に示す受光センサ１の一部を更に拡大して示す部分拡大図である（一部省略）。 受光センサの等価回路の一例を示す回路モデル図である。 本開示の一実施形態に係る光子数識別装置のハードウェア構成の一例を示す概略ブロック図である。 本開示の一実施形態に係る光子数識別装置の受光センサから出力される電気信号のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 本開示の一実施形態に係る光子数識別装置の受光センサから出力される電気信号の実測結果（実施例１）を示すグラフである。 図７に示す実施例１におけるヒストグラムである。 本開示の一実施形態に係る光子数識別装置の受光センサから出力される電気信号の実測結果（実施例２）を示すグラフである。 図９に示す実施例２におけるヒストグラムである。
　以下、本開示の一例に係る実施形態について、図面を参照して説明する。但し、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図ではない。すなわち、本開示の一例は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、図面は模式的なものであって、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。さらに、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。また、以下に説明する実施形態は本開示の一部の実施形態であって全ての実施形態ではない。さらに、本開示の実施形態に基づいて、当業者が創造性のある行為を必要とせずに得られる他の実施形態は、いずれも本開示の保護範囲に含まれる。
［光子数識別装置の構成例］
　図１は、本開示の一実施形態に係る光子数識別装置の一例の概略構成を示す平面図である。光子数識別装置１００は、本開示に係る光子数識別方法を実行するための装置であり、適宜の光源Ｌから光学系ＯＳによって光信号ＬＢが導出又は送出される受光センサ１、その受光センサ１に順次接続された減衰器２、バイアスティー３、及び増幅器４を備える。これらの受光センサ１、減衰器２、バイアスティー３、及び増幅器４は、冷凍機クライオスタットＣＲの内部に収容設置されている。また、バイアスティー３は、冷凍機クライオスタットＣＲの外部に設けられた定電流源５に接続されており、これにより、冷凍機クライオスタットＣＲの外部から、バイアスティー３を介して、受光センサ１に所定のバイアス電流が印加される。さらに、例えば増幅器４の出力側、定電流源５、及び冷凍機クライオスタットＣＲには、冷凍機クライオスタットＣＲの外部に設けられた制御部６が接続されている。また、冷凍機クライオスタットＣＲの内部及び外部の各要素機器の接続は、同軸ケーブルによって配線されると好ましく、図１においては、受光センサ１と減衰器２、及び、増幅器４と制御部６の接続配線が同軸ケーブルＫによって接続されている状態を例示した。なお、制御部６として、或いは、制御部６に代えて、出力信号の波形観測を行うオシロスコープ等の測定器（測定・信号処理部）を用いてもよく、その場合、その測定・信号処理部と、定電流源５、及び、冷凍機クライオスタットＣＲとは独立して作動し得るので、接続を不要としてもよい。
　このとおり、これらの光子数識別装置１００、受光センサ１、減衰器２、増幅器４、制御部６（オシロスコープ等の測定・信号処理部を含む。）、及び冷凍機クライオスタットＣＲが、それぞれ、本開示における「光子数識別装置」、「光検出部」、「減衰部」、「増幅部」、「信号処理部」、及び「クライオスタット」の一例に相当する。また、バイアスティー３及び定電流源５が、本開示における「電源部」の一例に相当する。
　ここで、図２は、図１における受光センサ１を拡大して示す部分拡大図であり、図３は、図２に示す受光センサ１の一部を更に拡大して示す部分拡大図である（一部省略）。受光センサ１は、光信号ＬＢを受光するための所定の受光面領域に配置された単一ピクセルの超伝導ナノストリップから形成された受光部１１に、例えば同種の超伝導ナノストリップから形成された振動付与部１２が直列に接続された構成を有する。これらのうち受光部１１は、ＳＮＳＰＤにおける光検出素子と同種材料及び同等形状で形成されており、振動付与部１２は、受光部１１と形状は異なるものの、同種材料及び近似形状で形成されている。このように、受光部１１として、ＳＮＳＰＤにおける光検出素子をほぼそのまま利用することができるので、光子数識別装置１００は、超伝導ナノストリップ（ＳＮ：Superconducting NanStrip）型の光子数識別装置ということもできる。
　具体的には、受光部１１及び振動付与部１２は、図２及び図３に示すとおり、ナノストリップ材料の蛇行配線が複数回繰り返されて成るミアンダ配線から形成されている。また、図３に示すように、受光部１１及び振動付与部１２のそれぞれの配線を構成するナノストリップは、下記式（Ａ）及び式（Ｂ）で表される関係を満たすように形成されている。
　振動付与部１２のナノストリップの線幅＞受光部１１のナノストリップの線幅　…（Ａ）
　振動付与部１２のナノストリップの間隔＞受光部１１のナノストリップの間隔　…（Ｂ）
　より具体的には、受光部１１のナノストリップの線幅及び間隔が数１０ｎｍであり、振動付与部１２のナノストリップの線幅及び間隔が数１００ｎｍであり、受光部１１及び振動付与部１２の全体幅が数１０～数１００μｍであり、その全体高さが数１０μｍである例が挙げられる。
　ここで、図４は、受光センサ１の等価回路の一例を示す回路モデル図である。図４において、Ｌｓ，Ｃｓは、それぞれ受光部１１のインダクタンス及び容量（寄生容量）を示し、Ｌｃ，Ｃｃは、それぞれ振動付与部１２のインダクタンス及び容量（寄生容量）を示し、ＲＮは、光信号ＬＢから受光部１１に入射した光子数に依存する常伝導抵抗を示す。なお、受光部１１の常伝導抵抗ＲＮは、例えば非特許文献２によれば、光子数の平方根に比例することが知られている。また、図４において、ＳＷは、入射した光子により超伝導状態が壊れることをモデル化したスイッチを示す。なお、この回路モデル図より、振動付与部１２は、等価的に、並列接続されたインダクタンス及び容量成分を有することから、一種のチョークコイル又はインダクタと看做すこともできる。
　図４に模式的に示すとおり、スイッチＳＷは、光検出前つまり超伝導状態（ＳＣ）のときは閉じており、バイアス電流はスイッチＳＷを流れる。一方、光子の入射による熱の発生により超伝導状態が壊れて常伝導状態（Ｎ）になると、スイッチＳＷは開き、バイアス電流は常伝導抵抗ＲＮを流れるので、その大きさに応じた電圧が発生することとなる。この等価回路の共振周波数ｆｒは、下記式（１）のように記述することができ、このことから、受光センサ１から出力される電気信号（電圧信号）には、この共振周波数ｆｒ又はそれに基づく振幅（電圧）振動成分が生じ得る。すなわち、受光部１１に振動付与部１２が接続されることにより、受光部１１に入射した光子数に対応した下記式（１）で表される共振周波数ｆｒ、又は、該共振周波数ｆｒに基づく周波数を有する振幅振動成分が、受光部１１で生成される電気信号に付与される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　また、振動付与部１２の電気回路特性に影響を与える形状パラメータ、つまり、振動付与部１２を構成するナノストリップの幅、間隔、及び全長、並びに、振動付与部１２の全体幅及び全体高さの少なくとも何れかを調節することにより、振動付与部１２のインダクタンス及び／又は容量を調節し得るので、上記式（１）より、共振周波数ｆｒを所望に変化させ得ることが理解される。よって、このように振動付与部１２の電気回路特性を変更することにより、受光部１１で生成される電気信号に付与される振幅振動成分を変化させることが可能となる。さらに、より具体的には、例えば、振動付与部１２のナノストリップの全長を大きくしてインダクタンスＬｃ及び容量Ｃｃを大きくすることで、共振周波数ｆｒを下げることにより、測定可能な光子数を増大させて光子数識別性能を向上させることができる。
［制御系のハードウェア構成例］
　図５は、本開示の一実施形態に係る光子数識別装置１００のハードウェア構成の一例を、制御系としての観点から示す概略ブロック図である。光子数識別装置１００は、前述した受光センサ１、減衰器２、バイアスティー３、増幅器４、定電流源５、及び、冷凍機クライオスタットＣＲのうち増幅器４及び定電流源５と、外部記憶装置７とに制御部６が接続された構成を有する。また、外部記憶装置７は、増幅器４から出力される電気信号波形や種々の演算及び計算データ等を電磁的に記憶することができる。さらに、制御部６は、制御演算部６１、通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）部６２、記憶部６３、入力部６４、及び出力部６５を含み、これらの各部はバスライン６６を介して相互に通信可能に接続され得る。なお、制御部６として、或いは、制御部６に代えて、出力信号の波形観測を行うオシロスコープ等の測定器（測定・信号処理部）を用いる場合、これらの各部は、その測定・信号処理部に備わる機能部と看做すこともでき、例えば、通信Ｉ／Ｆ部６２は、オシロスコープ等におけるＡＤ変換機能を担う部分と捉え得る。
　制御演算部６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を含み、情報処理に応じて各構成要素の制御及び各種演算を行う。また、通信Ｉ／Ｆ部６２は、例えば、有線又は無線により他の構成要素と通信するための通信モジュールである。通信Ｉ／Ｆ部６２が通信に用いる通信方式は特に制限されず任意であり、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）等が挙げられ、バスライン６６と同等の適宜の通信線を適用することもできる。増幅器４、定電流源５、及び外部記憶装置７は、ともに、この通信Ｉ／Ｆ部６２を介して、制御演算部６１等と通信可能に設けられている。
　記憶部６３は、例えばハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）、ソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）等の補助記憶装置であり、制御演算部６１で実行される各種プログラム（定電流源５の制御、及び、増幅器４から出力された電気信号の処理を実行するための制御演算プログラム等）、増幅器４から出力された電気信号波形、その他の各種演算結果及び設定パラメータ等を含むデータを記憶する。また、記憶部６３に記憶されたデータ等は、外部記憶装置７に適宜記憶させてもよい。
　入力部６４は、光子数識別装置１００を利用するユーザからの各種入力操作を受け付けるためのインタフェースデバイスであり、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、例えばオシロスコープの操作パネル、ボタン、及びスイッチ等、並びに、音声マイク、外部メモリ等で実現し得る。また、出力部６５は、光子数識別装置１００を利用するユーザ等へ、各種情報を、その表示、音声出力、印刷出力等により報知するためのインタフェースデバイスであり、例えば、ディスプレイ、スピーカ、プリンタ等で実現し得る。
［光子数識別装置の動作例］
　以上の構成を有する光子数識別装置１００では、制御部６の制御演算部６１からの指令等により、冷凍機クライオスタットＣＲ内の受光センサ１が超伝導状態となるように冷却され、また、受光センサ１にバイアスティー３からバイアス電流が印加される。この状態で受光センサ１の受光部１１に、光源Ｌから光信号ＬＢが送出されると、入射した光量に応じた電圧が発生する。また、その電圧信号が電気信号として減衰器２及びバイアスティー３を介した後、増幅器４によって増幅され、さらに、その増幅電気信号が制御部６へ出力されて出力信号波形が観測される。
　このとき、受光部１１に振動付与部１２が接続されているので、受光部１１で生成された電気信号には、受光部１１に入射した光子数に対応する振幅振動成分（すなわち光子数に応じた振幅強度を有する成分）が付与される。こうして得られる振幅振動成分を有する電気信号は、従来のＳＮＳＰＤからの出力信号とは異なり、時間経過とともに各光子数に応じて異なる強度の振幅振動を有する複数の成分が重畳されたものとなる。
（シミュレーション例）
　図６は、本開示の一実施形態に係る光子数識別装置１００の受光センサ１から出力される電気信号のシミュレーション結果の一例を示すグラフであり、時間（横軸）経過に対する出力信号電圧（縦軸：任意単位）の変化を示す（立ち上がり時刻を「時間＝０ｎｓ」として規格化した。）。このシミュレーションは、図４に示す等価回路を回路モデルとして用い、光子検出時の出力信号波形を推算したものであり、受光部１１の回路パラメータは、図６に示す例１～３について共通とし、受光部１１のインダクタンスＬｓ＝１．６μＨ、及び、容量Ｃｓ＝２２．４ｆＦと設定した。
　実線Ｇ０で表す例１は、振動付与部１２が存在しないか、或いは、受光部１１に比してインダクタンスＬｃ及び容量Ｃｃが無視できる場合の出力信号波形を示す（この点において、参考例又は比較例である。）。また、一点鎖線Ｇ１で表す例２は、振動付与部１２を有し、そのインダクタンスＬｃ＝４００ｎＨ、及び、容量Ｃｃ＝２．７ｆＦ（共振周波数ｆｒ＝１．７８ＧＨｚ相当）としたときの出力信号波形を示す。さらに、破線Ｇ２で表す例３は、振動付与部１２を有し、そのインダクタンスＬｃ＝８００ｎＨ，容量Ｃｃ＝５．４ｆＦ（共振周波数ｆｒ＝１．３１ＧＨｚ相当）としたときの出力信号波形を示す。
　これらの例１～３として示す結果より、受光部１１に振動付与部１２を追設した光子数識別装置１００によれば、受光センサ１からの出力信号波形に振幅振動成分が発現することが理解される。また、このような振幅振動を有する出力信号波形（一点鎖線Ｇ１及び破線Ｇ２）が５ｎｓ程度経過した時点でも減衰しておらず、１０ｎｓ程度以上持続することが示唆される。さらに、振動付与部１２の電気回路特性を変更することにより、出力信号の周波数や振幅が変化し得ることも判明した。
　そこで、光子数識別装置１００と同等の構成を有する実機を試作し、光源Ｌとしてパルス光を用いて、その光子数識別性能を評価した。
（実施例１）
　図７は、本開示の一実施形態に係る光子数識別装置１００の受光センサ１から出力される電気信号の実測結果（実施例１）を示すグラフであり、実際の時間（横軸）経過に対する出力信号電圧（縦軸：任意単位）の変化を示す。本実施例は、受光センサ１の回路パラメータを、受光部１１のインダクタンスＬｓ＝１．６μＨ、及び、容量Ｃｓ＝２２．４ｆＦとし、また、振動付与部１２のインダクタンスＬｃ＝４００ｎＨ、及び、容量Ｃｃ＝２．７ｆＦ（共振周波数ｆｒ＝１．７８ＧＨｚ相当）として得られた出力信号波形を８１９２本重ねて得たものである。すなわち、本実施例は、図６に示すシミュレーション結果における例２（一点鎖線Ｇ１）と同じパラメータ条件に対応する実測結果を示す。この結果は、受光センサ１の出力信号波形が振幅振動成分を有しており、その振幅の相違から光子数を識別可能であることを示すものである。なお、図７中に、０光子、１光子、及び２光子以上に対応する部位の目安を示す。
　また、図８は、図７に示す出力信号波形の時間＝１２６．９ｎｓの時点（図７の横軸に破線を付した時間位置）におけるヒストグラムを示し、各信号電圧（横軸）の計数（縦軸：頻度）をプロットしたグラフである。この結果より、光子数識別装置１００を用いた実施例１の条件では、０光子と１光子を明確に区別できることが判明し、また、２光子以上は縮退していると認められるものの、複数の光子数を識別及び計数し得ることが確認された。
（実施例２）
　図９は、本開示の一実施形態に係る光子数識別装置１００の受光センサ１から出力される電気信号の実測結果（実施例２）を示すグラフであり、受光センサ１の回路パラメータを、振動付与部１２のインダクタンスＬｃ＝８００ｎＨ、及び、容量Ｃｃ＝５．４ｆＦ（共振周波数ｆｒ＝１．３１ＧＨｚ相当）としたこと以外は、実施例１と同様にして得られたものである。すなわち、本実施例は、図６に示すシミュレーション結果における例３（破線Ｇ２）と同じパラメータ条件に対応する実測結果を示す。この結果も、受光センサ１の出力信号波形が振幅振動成分を有しており、その振幅の相違から光子数を識別可能であることを示すものである。なお、図９中に、０光子、１光子、２光子、及び３光子以上に対応する部位の目安を示す。
　また、図１０は、図９に示す出力信号波形の時間＝１２６．４ｎｓの時点（図９の横軸に破線を付した時間位置）におけるヒストグラムを示し、各信号電圧（横軸）の計数（縦軸：頻度）をプロットしたグラフである。この結果より、光子数識別装置１００を用いた実施例２の条件では、０光子、１光子、及び２光子（つまり２光子まで）を明確に区別できることが判明し、また、３光子以上は縮退していると認められるものの、実施例１と同様に、複数の光子数を識別及び計数し得ることが確認された。
　また、本実施例では、図９に示されるように、振動部分に繋がる出力信号の立ち上がり部分では波形が２つ（２本）に縮退しているものの、時間が経過して振幅振動を示現する部分では、２つのうちの一方の縮退が解けている点が注目される。つまり、従来手法では判別が不可能であった２光子と３光子以上の成分が、光子数識別装置１００によれば、振幅振動部分をいわば発現させることによって分離することが可能であることが判明した。
　このように構成された光子数識別装置１００、及び、それを用いた光子数識別方法によれば、ＳＮＳＰＤの光検出素子（受光部分）と同等の構成を有する受光部１１に振動付与部１２を接続した受光センサ１を備えるので、ＳＮＳＰＤの優れた光応答特性をそのまま保持することができ、既存のＳＮＳＰＤをほぼそのまま流用することができる。また、振動付与部１２が、受光センサ１からの電気信号に、光子数に応じた異なる強度の振幅振動成分を付与し、その数に基づいて、光子数の識別及び計数を行うことができる。さらに、この振幅振動を有する波形は、例えば１０ｎｓ程度以上持続し得る。よって、ＳＮＳＰＤで必要であった立ち上がり部分の高速での信号処理が不要となり、信号処理系の簡素化が可能となる。また、そのように高速での信号処理が不要であるので、複雑な信号処理に依らずとも雑音の影響を軽減しつつ、帯域が狭い低速の測定系を用いた場合でも、高分解能で優れた光子数識別性能を、簡易な構成で十分に実現することができる。その結果、光子数識別における経済性、操作性、及び汎用性を従来に比して格段に向上させることができ、かつ、従来の高速信号処理では困難であった多チャネル化も可能となる。
　以上、本開示の一例としての上記実施形態について詳細に説明してきたが、上述したとおり、前述した説明はあらゆる点において本開示の一例を示すに過ぎず、本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることはいうまでもない。また、上記実施形態は、部分的に置換、削除、又は組み合わせて構成することも可能である。
　例えば、受光センサ１の後段に、バンドパスフィルタ等のフィルタ部を設けてもよい。光子数識別装置１００によれば、受光センサ１から出力される電気信号の振幅振動成分から光子数の情報が得られるので、電気的な雑音が大きい場合であっても、フィルタ部によって雑音成分をカットして振幅振動成分のみを取り出すことにより、更に高精度な光子数識別を実現することができる。また、受光部１１と振動付与部１２の材料や形状は、図４に示すような等価回路を構成することができれば、互いに異なっていてもよい。さらに、図４に示すような等価回路以外でも、受光部１１からの電気信号に振幅振動を付与することができる場合には、振動付与部１２は、受光部１１に並列に接続されていてもよい。
　また、受光センサ１、減衰器２、バイアスティー３、及び増幅器４、並びに適宜のフィルタ部（用いる場合）の全部又は一部を、単一の基板に集積化してもよい。またさらに、バイアスティー３や増幅器４として、種々の形態や機能を有するものを用いることができ、例えば、バイアスティー３が増幅器４に内蔵されていてもよく、増幅器４が低周波成分をカットするフィルタ機能を備えていてもよい。さらにまた、単一ピクセルの受光部１１に、電気回路特性が互いに異なる複数の振動付与部１２を切り替え可能に接続してもよい。加えて、低速の測定系ではなく、高速の測定系を使用してももちろんよく、この場合でも、従来手法に比して多光子識別性能が向上することはいうまでもない。また、実施例１及び２で説明した光子数識別までの信号処理を、制御部６の制御演算部６１やその他の測定・信号処理部によって自動化して実行しても構わない。

Claims (11)

  1. 　光源からの光信号に含まれる光子数を識別するための装置であって、
    　所定の受光面領域に配置された単一ピクセルのナノストリップから形成され、かつ、超伝導状態において前記光信号に対応する電気信号を生成する受光部、及び、前記受光部に接続され、かつ、光子数に対応する振幅振動成分を前記電気信号に付与する電気回路特性を有する振動付与部、を含む光検出部と、
    　前記光検出部にバイアス電流を供給する電源部と、
    　前記電気信号を増幅する増幅部と、
    　前記光検出部及び前記増幅部が収容され、前記受光部が超伝導状態を発現する温度で作動するクライオスタットと、
    を備える、光子数識別装置。
  2. 　前記振幅振動成分は、下記式（１）；
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
      
    で表される共振周波数ｆｒ、又は、該共振周波数ｆｒに基づく周波数を有する、
    請求項１に記載の光子数識別装置。
  3. 　前記振動付与部は、前記受光部と同等又は同種の材料から構成される、請求項１又は２に記載の光子数識別装置。
  4. 　前記振動付与部は、前記受光部のナノとは形状が異なるナノから形成される、請求項１～３の何れかに記載の光子数識別装置。
  5. 　前記振動付与部のナノストリップの線幅は、前記受光部のナノストリップの線幅よりも太く、
    　前記振動付与部のナノストリップの間隔は、前記受光部のナノストリップの間隔よりも広い、
    請求項４に記載の光子数識別装置。
  6. 　前記受光部及び前記振動付与部は、蛇行配線が複数回繰り返されて成るミアンダ配線から形成される、請求項４又は５に記載の光子数識別装置。
  7. 　前記増幅部に接続され、前記電気信号の増幅信号を受信し、該増幅信号波形における異なる強度の前記振幅振動成分を弁別する信号処理部を更に備える、請求項１～６の何れかに記載の光子数識別装置。
  8. 　前記光検出部と前記増幅部との間に接続され、前記電気信号を受信し、該電気信号を減衰させる減衰部、及び／又は、該電気信号の所定の周波数成分をフィルタリングするフィルタ部を更に備える、請求項１～７の何れかに記載の光子数識別装置。
  9. 　光源からの光信号に含まれる光子数を識別するための方法であって、
    　所定の受光面領域に配置された単一ピクセルのナノストリップから形成された受光部、及び、特定の電気回路特性を有して前記受光部に接続された振動付与部を含む光検出部、電源部、増幅部、並びに、前記光検出部及び前記増幅部が収容されたクライオスタットを備える光子数識別装置を準備するステップと、
    　前記クライオスタットが、前記受光部が超伝導状態を発現する温度で動作するステップと、
    　前記電源部が、前記光検出部にバイアス電流を供給するステップと、
    　前記光検出部の前記受光部が、超伝導状態において前記光信号に対応する電気信号を生成するステップと、
    　前記光検出部の前記振動付与部が、光子数に対応する振幅振動成分を前記電気信号に付与するステップと、
    　前記増幅部が、前記電気信号を増幅するステップと、
    を含む、光子数識別方法。
  10. 　前記光子数識別装置は、前記増幅部に接続されて前記電気信号の増幅信号を受信する信号処理部を更に備え、
    　前記信号処理部が、前記増幅信号波形における異なる強度の前記振幅振動成分を弁別するステップを更に含む、請求項９に記載の光子数識別方法。
  11. 　前記振動付与部の電気回路特性を変更することにより、前記光子数に対応する振幅振動成分を変化させるステップを更に含む、請求項９又は１０に記載の光子数識別方法。
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