超伝導ナノワイヤシングルフォトンカウンタの原理

超伝導ナノワイヤシングルフォトンカウンタ（単一光子検出器）は、
絶対零度付近で電気抵抗が 0 (ゼロ) になる超伝導材料を使用したシングルフォトンカウンタです。
その原理は、半導体（アバランシェフォトダイオード）シングルフォトンカウンタと全く異なり、
深紫外から、中赤外まで半ば広い波長範囲に感度を持ちます。
特に通信波長帯ではアバランシェフォトダイオードよりも、検出効率、最大計数率（カウントレート）、
暗計数率（ダークカウントレート）、ジッタ、など多くの点で優れています。
この優れた特性を生かして、近年、量子暗号通信、量子光学基礎実験などに数多く利用され、
大きな研究成果を挙げています。

１.　超伝導ナノワイヤ

超伝導材料からなるナノワイヤに、絶対零度付近で電流を流します。
そこに光子が入射すると、その部分に超伝導状態が壊れた領域（ホットスポット）が生じます。
超伝導ナノワイヤにバイアス電流を十分に印加した状態では、このホットスポットの発生を引き金にして、
その周囲の超伝導電流密度が臨界温度（この温度以上では超伝導状態が壊れる）を越えて、
ナノワイヤ全体の超伝導状態が壊れます。
このためナノワイヤに数 kΩ の抵抗が発生して、バイアス電流は迂回ルートの負荷 50Ω 側を流れます。
これがホットスポット周辺のジュール熱を基板に拡散させることにつながり、
ホットスポット周辺は超伝導状態に変わり、バイアス電流が超伝導ナノワイヤを流れる最初の状態戻ります。
光子を受光するごとに、超伝導ナノワイヤの両端の電圧は上昇します。
この電圧上昇のパルスを測定することで、光子を検出することができます。


図1. 外観	図2. 動作原理

図3. 等価回路	図4. 時間応答

２.　バイアス電圧特性

光子のシステム検出効率（SDE）はバイアス電圧に直線的に比例し、ある値以上になると、ほぼ横ばいになります。
ダークカウントレート（DCR）はバイアス電圧に指数関数的に比例してある値以上になると、ほぼ横ばいになります。
バイアス電圧を調整することによって、システム検出効率とダークカウントレートを最適な比率に設定することができます。

図5. システム検出効率、ダークカウントレートのバイアス電圧依存性

３.　波長依存性

超伝導ナノワイヤシングルフォトンカウンタは、検出効率の波長依存性は非常に小さくなります。
さまざまな波長の光子を同時に扱う実験にも強みを発揮します。
ある 1 波長に合わせて構造を最適化することにより、それぞれの波長で最高の性能を引き出すことができます。

図6 システム検出効率の波長依存性
図6. システム検出効率の波長依存性

４.　クライオスタット（冷凍機）

超伝導ナノワイヤは絶対零度付近で動作させるため、クライオスタット（冷凍機）が重要役割を担います。
ディテクタを 0.8K に安定して保持するため、その前段階に 40K の予備冷却領域を設けています。
これが高い温度安定性を確保することにつながり、Latch Free (システム動作の中断を防ぐ) を実現しました。
Latch Free は、長時間の連続動作には欠かせない特長で、これによって終夜にわたるタフな実験が初めて可能になります。

図7. クライオスタットの構造

５.　光子数計測（Photon Number Resolving）

通常の超伝導ナノワイヤシングルフォトンカウンタは、光子が入射したタイミングを計測しますが、
光子が何個入射したかは、測定できません。
しかし、光子数を計測したいというご希望は多く、それに応えるために、新たに開発したのが
PNR (Photon Number Resolving) SNSPD（光子数計測超伝導ナノワイヤシングルフォトンカウンタ）です。


図8. PNR (Photon Number Resolving) の概略構造図	図9. PNR (Photon Number Resolving) の測定出力

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超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンタの原理

目 次

１. 超伝導ナノワイヤ

２. バイアス電圧特性

３. 波長依存性

４. クライオスタット（冷凍機）