(57)【要約】【課題】量子効率が１％以上で暗計数率が０．５Ｈｚ以下である超伝導ナノ細線単一光子検出装置を提供すること。【解決手段】光ファイバ１から入力された所定の波長の単一光子を検出する超伝導ナノ細線単一光子検出装置２であって、前記光ファイバ１から入力される光のうち所定の波長の光のみを透過する光学フィルタ４と、前記光学フィルタ４を室温以下の冷却温度に冷却する冷却手段５と、前記光学フィルタ４を透過した所定の波長の単一光子を電気パルスとして検出するＳＳＰＤ素子３とを備えたことを特徴とする超伝導ナノ細線単一光子検出装置。好ましくは前記冷却手段による冷却温度は３Ｋである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから入力された所定の波長の単一光子を検出する超伝導ナノ細線単一光子検出装置であって、
前記光ファイバから入力される光のうち所定の波長の光のみを透過する光学フィルタと、
前記光学フィルタを室温以下の冷却温度に冷却する冷却手段と、
前記光学フィルタを透過した所定の波長の単一光子を電気パルスとして検出するＳＳＰＤ素子とを備えたことを特徴とする超伝導ナノ細線単一光子検出装置。
【請求項２】
前記冷却手段による冷却温度は３Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の超伝導ナノ細線単一光子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
可視域−赤外域における光ファイバ入力型の単一光子検出装置に関し、特に超伝導ナノ細線を利用した単一光子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子情報通信、半導体・分子からの弱い発光など様々な分野で、高性能な単一光子検出装置の必要性が高まっている。現在、主な単一光子検出装置として、可視域におけるＳｉアバランシェフォトダイオード、赤外域におけるＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオード、可視域−赤外域における超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）などが利用されている。
【０００３】
ＳＳＰＤ２０は、例えば図１に示すように、光ファイバ１と接続されており、光ファイバ１から入力された単一光子を検出する装置である。ＳＳＰＤ２０は、幅１００ｎｍ、厚さ４ｎｍ程度の超伝導体（ＮｂＮなど）細線からなるＳＳＰＤ素子３を備えている。ＳＳＰＤ素子３は、単一光子が細線の一部分に吸収されると、細線の超伝導状態が局所的に破壊されて常伝導状態となり電圧パルスが発生することを動作原理とする。
【０００４】
ＳＳＰＤは、高い動作速度、低暗計数率（暗計数率：信号が来ていないときに検出装置が検出シグナルを誤って出してしまう率）、低ジッタなど優れた性能を有しており、量子暗号通信応用分野を中心に急速に利用が広まっている。例えば非特許文献１では、動作速度１０ＧＨｚ、暗計数率５０Ｈｚ、量子効率１．４％、ジッタ６０ＨｚのＳＳＰＤを使用して、他の単一光子検出装置を利用した当時の記録の約２倍となる２００Ｋｍの量子暗号鍵配送に成功している。非特許文献２では、動作速度７０ＭＨｚ、暗計数率１Ｈｚ、量子効率３％のＳＳＰＤを使用して２６０Ｋｍの量子暗号鍵配送に成功している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nature Photonics, VOL.1, P343-348, JUNE 2007
【非特許文献２】Optics Letters, Vol.37, No. 6, P1008-1010, March 15, 2012）
【非特許文献３】Optics Letters, Vol.34, No. 23, P3607-3609, December 1, 2011
【非特許文献４】Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ７３，  ０１２３４４  （２００６））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＳＰＤは従来の検出装置と比較すると暗計数率が低いが、様々な応用の発展には、さらに暗計数率を低減させる必要がある。例えば、量子暗号鍵配送における鍵配送距離は暗計数率に大きく依存しており、暗計数率が低下するほど長距離配送が可能となる。暗計数率を低下させる方法として非特許文献３のようにＳＳＰＤに印加するバイアス電流を下げるという方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら上記非特許文献３に記載の方法では、バイアス電流の低下と共に量子効率も低下するという欠点がある。このように、量子効率が１％以上で暗計数率が０．５Ｈｚ以下のＳＳＰＤを実現することは困難であった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、量子効率が１％以上で暗計数率が０．５Ｈｚ以下である超伝導ナノ細線単一光子検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、光ファイバから入力された所定の波長の単一光子を検出する超伝導ナノ細線単一光子検出装置であって、前記光ファイバから入力される光のうち所定の波長の光のみを透過する光学フィルタと、前記光学フィルタを室温以下の冷却温度に冷却する冷却手段と、前記光学フィルタを透過した所定の波長の単一光子を電気パルスとして検出するＳＳＰＤ素子とを備えたことを特徴とする超伝導ナノ細線単一光子検出装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）を示す図である。
【図２】本発明の超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）を示す図である。
【図３】光学フィルタの透過特性を示す図である。
【図４】フィルタ条件を変えたＳＳＰＤにおける量子効率および暗計数率のバイアス電流依存性を示す図である。
【図５】フィルタ条件が異なるＳＳＰＤを用いた量子暗号鍵配送距離と安全鍵生成速度の計算結果をそれぞれ示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１２】
図２は、本発明の超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）の概略構成を示す図である。図２に示すように、本発明の超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）２は、従来の超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）２０に、ＳＳＰＤ素子３の手前の光ファイバ入力側に光学フィルタ４を挿入し、光学フィルタ４を冷却する冷却手段５を追加した構成を備えている。
【００１３】
ＳＳＰＤ素子３は、単一光子を検出するための素子であって、厚さ４ｎｍの窒化ニオブ薄膜を幅１００ｎｍ、線間隔１００ｎｍ、大きさ１０μｍのメアンダ形状に微細加工して作製することができる。ＳＳＰＤ素子３は、市販されているＳＳＰＤ素子を用いてもよい。ＳＳＰＤ素子３のメアンダパタンに１．５μｍのシングルモード光ファイバ１を用いて入力した光を照射する。メアンダ細線には臨界電流より僅かに低いバイアス電流を印加し、単一光子検出に伴う電気パルスをバイアスティを通して検出する。この検出は、単一の光子が細線の一部に吸収されると、細線の超伝導状態が局所的に破壊されて常伝導状態になって電圧パルスを発生するという原理を利用している。単一光子検出に伴う電気パルスを測定する測定回路は既知の回路を用いることができる。
【００１４】
ＳＳＰＤ２では、ＳＳＰＤ２の筐体として機能するクライオスタット内に、ＳＳＰＤ２の外部（室温側）からの光ファイバ１に接続される光学フィルタ４が設けられており、ＳＳＰＤ素子３は光学フィルタ４の後段に配置されている。また、光学フィルタ４は冷却手段５で冷却されている。冷却手段５は、光学フィルタ４と共にＳＳＰＤ素子３を冷却してもよい。光学フィルタ４は図３に示すように、波長１．４４μｍから１．６０μｍの光を透過するが、他の波長の光は阻止する透過特性を有する。
【００１５】
本発明のＳＳＰＤ２では、冷却された光学フィルタ４が、光ファイバ２を通じて伝搬した室温からの熱輻射の透過を阻止するので、暗計数率が大幅に低下する。また、光学フィルタ４は必要とされる波長の光のみ透過させ、他の波長の光を遮蔽する特性を有するので、量子効率が低下する。
【００１６】
次に、冷却したフィルタを用いたＳＳＰＤ２が、従来の構成に比べて量子効率および暗計数率が改善していることを例証するために、以下の実験を行った。フィルタ条件が異なる３つのＳＳＰＤを作成した後、室温側の光ファイバ１の端子に極微弱な１．５５μｍのコヒーレント光源を接続し、極微弱な光を照射する。入力光強度および電気パルス数の関係よりＳＳＰＤ検出装置２の量子効率を求める。また、光を入力しない場合の電気パルス数より暗計数率を求める。量子効率および暗計数率の決定法は既知であるため省略する。この結果を図４に示す。
【００１７】
図４（ａ）は、光学フィルタ４を導入しない従来のＳＳＰＤ２０の量子効率および暗計数率のバイアス電流依存性である。バイアス電流Ｉbの増加と共に量子効率および暗計数率は増加し、Ｉb＝２３μＡで量子効率７．４％、暗計数率２５Ｈｚとなる。図４（ｂ）は、従来のＳＳＰＤ２０に室温の(冷却していない)光学フィルタ４を導入した場合の結果（量子効率および暗計数率のバイアス電流依存性）である。光学フィルタによる吸収（約１ｄＢｍ）のためにＩb＝２３μＡで量子効率６％と少し低下する。一方、暗計数率は光学フィルタのない場合と同じである。
【００１８】
図４（ｃ）は、図２に示すように光学フィルタ４を導入しかつ光学フィルタ４を低温（３Ｋ）に冷却したＳＳＰＤ２の結果（量子効率および暗計数率のバイアス電流依存性）である。光学フィルタによる吸収（約５ｄＢｍ）のためにＩb＝２３μＡにおける量子効率は２．４％と光学フィルタなしの場合の１／３に低下する。一方、暗計数率はＩb＝２３μＡで０．２４Ｈｚと光学フィルタなしの場合の１／１００に低下する。これより、光学フィルタを低温冷却することによって暗計数率を１／１００程度低減することが可能となる。この大幅な暗計数率の低減は、透過波長以外の領域における室温から光ファイバ１を通じて流入した熱輻射が、冷却された光学フィルタ４によって阻止されたためである。光学フィルタ４については、入力光の波長を透過するフィルタであれば、ＦＢＧフィルタなどより狭帯域のフィルタを利用することが可能である。また、光学フィルタ４の冷却温度は３Ｋでなくても室温以下であれば暗計数率の低減が可能である。
【００１９】
図５に本発明の超伝導ナノ細線単一光子検出装置について、量子暗号鍵配送距離と安全鍵生成速度の計算結果を示す。ここで、量子暗号鍵配送プロトコルは差動位相シフト量子鍵配送プロトコルを利用した。図５に示すように、光学フィルタを導入しない場合（鎖線で示す）、安全鍵配送距離は最大２７４Ｋｍとなるが、３Ｋ冷却された光学フィルタを導入した場合（実線で示す）、最大３４３Ｋｍと大幅に配送距離を延長することが出来ることが明らかである。この計算は非特許文献４に基づき、動作速度１ＧＨｚ、時間窓１００ｐｓ、量子効率１．８％（フィルタ無）、２．１％（冷却フィルタ有）、暗計数率３Ｈｚ（フィルタ無）、０．１８６Ｈｚ（冷却フィルタ有）とした。
【００２０】
以上説明した超伝導ナノ細線単一光子検出装置は、ファイバ入力側に冷却した光学フィルタが挿入されているため、ＳＳＰＤの暗計数率の大部分を占める室温の熱輻射に由来する暗計数を約１／１００に低下させることが出来る。また、この超伝導ナノ細線単一光子検出装置を用いると、３４０Ｋｍを超える量子鍵配送が可能となる。
【符号の説明】
【００２１】
１  光ファイバ
２  超伝導ナノ細線単一光子検出装置（ＳＳＰＤ）
３  ＳＳＰＤ素子
４  光学フィルタ
５  冷却手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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