(57)【要約】【課題】実用的で、アフターパルスがなく、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができ、かつ、低ジッタで高い計数率が得られる光子検出装置及び光子検出方法を提供すること。【解決手段】本発明の光子検出装置は、板面が光子検出面とされる長板状の超伝導ストリップ線及び前記超伝導ストリップ線にバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段を有する光子検出部と、光子検出時に前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を検出可能な単一磁束量子コンパレータ回路とを有し、前記バイアス電流供給手段が、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流す手段であることを特徴とする。【選択図】図２
2018100946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板面が光子検出面とされる長板状の超伝導ストリップ線及び前記超伝導ストリップ線にバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段を有する光子検出部と、
光子検出時に前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を検出可能な単一磁束量子コンパレータ回路とを有し、
前記バイアス電流供給手段が、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流す手段であることを特徴とする光子検出装置。
【請求項２】
単一磁束量子コンパレータ回路が、少なくとも配線内にジョセフソン接合を有するジョセフソン接合配線と、前記ジョセフソン接合配線−超伝導ストリップ線間を電気的に接続する超伝導配線とを有し、
前記超伝導ストリップ線と前記超伝導配線と前記ジョセフソン接合配線とで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項３】
検出対象の光子が導波される光導波路上に超伝導ストリップ線が配される請求項１から２のいずれかに記載の光子検出装置。
【請求項４】
光導波路の光導波方向に沿って超伝導ストリップ線が複数配されるとともに、個々の前記超伝導ストリップ線に対応して光子検出部と単一磁束量子コンパレータ回路が複数配され、更に、個々の前記単一磁束量子コンパレータ回路から出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力される統合入力回路が配される請求項３のいずれかに記載の光子検出装置。
【請求項５】
更に、参照時間信号の入力時間と、磁束の検出に伴い単一磁束量子コンパレータ回路又は統合入力回路から出力される出力信号の入力時間との時間差を計測し、前記時間差から前記出力信号をデジタルデータ化する時間デジタル変換器を有する請求項１から４のいずれかに記載の光子検出装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の光子検出装置を用いて光子を検出する光子検出方法であって、
バイアス電流を超伝導ストリップ線に流した状態で検出面に前記光子を入射させ、前記光子の入射により前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を単一磁束量子コンパレータ回路で検出することで、前記光子を検出することとし、かつ、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流すことを特徴とする光子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導ストリップ線を用いた光子検出装置及び光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報安全性の確保は、ネットワーク社会の緊急課題であり、量子暗号通信が中核を担う技術として期待されている。
しかしながら、現状の安全鍵生成率は、十分ではなく実用的ではない。実用的な安全鍵生成率を実現するためには、光子検出器の高性能化が必須であり、緊急の課題である。
【０００３】
従来、通信波長帯（１，５５０ｎｍ）の光子検出には、ＩｎＧａＡｓアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が広く用いられてきたが、アフターパルスの発生やダークカウントが多いという問題がある。これらの問題は、鍵生成の誤り率を増大させる要因であるが、ＡＰＤの動作原理上、避けることは困難である。
【０００４】
また、従来、超伝導ストリップ光子検出装置（ＳＳＰＤ；Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｓｔｒｉｐ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｅｒ）が光子検出に用いられている（特許文献１，２参照）。ＳＳＰＤは、アフターパルスの発生がなく、ダークカウントが比較的少ないという特長を有しており、量子暗号通信を実現する光子検出器として有力である。
しかしながら、ＳＳＰＤは、動作原理上、高い感度とダークカウントレートを両立させることは困難である。
【０００５】
従来のＳＳＰＤ光子検出装置の等価回路を図１（ａ）に示す。ＳＳＰＤは、厚さが数ｎｍ、幅が数十〜数百ｎｍの超伝導ストリップ線から構成される光子検出装置であり、常時バイアス電流を超伝導ストリップ線に流して動作させる。バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線に光子が入射されると、超伝導ストリップ線の幅方向に完全な常伝導領域が形成される（図１（ａ）、Ｎ参照）。するとバイアス電流は、順方向に流れることができなくなり、測定系に電流パルスが出力される。ＳＳＰＤでは、この電流パルスを光子検出信号として利用する。
ここで、光子が超伝導ストリップ線に入射された際に電流パルスが発生する確率（量子効率）、即ち感度は、図１（ｂ）に示すように、バイアス電流の大きさに依存する（非特許文献１参照）。バイアス電流が大きいほど量子効率が高くなるが（左軸参照）、同時にダークカウントも増加する（右軸参照）。なお、図１（ｂ）は、量子効率のバイアス電流依存性とダークカウントレートのバイアス電流依存性を示す図である。
このように、ＳＳＰＤ光子検出装置では、高い感度と低いダークカウントレートを両立させることは不可能である。
【０００６】
また、電流パルスを光子検出原理とするため、図１（ａ）に示す電流パルスを増幅するための低ノイズアンプを用いる必要がある。低ノイズアンプは、検出システムのジッタに悪影響を及ぼす問題がある。
また、光子検出原理である電流パルスの立下り時間τは、超伝導ストリップ線のインダクタンスＬの大きさによって制限される。インダクタンスＬは、超伝導ストリップ線の全長の断面積に反比例し、インダクタンスＬの大きさを小さくするためには、超伝導ストリップ線の断面積を大きくする必要がある。しかしながら、感度（量子効率）の観点から超伝導ストリップ線の断面積は、小さくなければならず、これが大きいと光子入射の際の常伝導領域の形成が不完全となり、感度が低下する。そのため、インダクタンスＬは、大きくならざるを得ない。したがって、電流パルスの立下りが緩やかで立下り時間τが長くなり、延いては、システムの応答時定数が数十ｎｓと大きくなり、計数率が数百ＭＨｚ程度しか得られない問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００５１７２６号明細書
【特許文献２】特開２０１１−１７６１５９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】C. M. Natarajan et al., Supercond. Sci. Technol. 25, 063001 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者は、こうした問題を解決するため、新たな光子検出装置及び光子検出方法を検討している（特願２０１５−１２３７６４及びＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０６７７４７参照）。
具体的には、次の光子検出装置及び光子検出方法を検討している
【００１０】
先ず、図２に、検討に係る光子検出装置の概要を示す。なお、図２は、光子検出装置の概要を示す説明図である。
該図２に示すように、光子検出装置１０は、主として超伝導ストリップ線１と、単一磁束量子（ＳＦＱ；Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕａｎｔｕｍ）回路としてのジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ；Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ）回路４とで構成される。
ここで、超伝導ストリップ線１は、検出面が光子検出面とされる長板状の部材とされる。この超伝導ストリップ線１には、電流源２を介してバイアス電流が供給される。
【００１１】
光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａと、超伝導ストリップ線１との間を電気的に接続する超伝導配線３とが配され、超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される。
【００１２】
このように構成される光子検出装置１０では、バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１の検出面に光子が入射されると、磁束−反磁束対が発生する。超伝導ストリップ線１に発生した磁束−反磁束対は、超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流によってローレンツ力を受け、磁束−反磁束対に解離し、それぞれ超伝導ストリップ線１中からバイアス電流の流れる方向と直交する方向、即ち、超伝導ストリップ線１の幅方向に排除され、これらが超伝導ストリップ線１から飛散する。
【００１３】
超伝導ストリップ線１から飛散する磁束は、単一磁束量子として超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで構成される前記超伝導ループに捉えられ、前記超伝導ループにパルス状のループ電流を発生させる。このときＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を流しておくと、ループ電流とバイアス電流との和がジョセフソン接合配線５ａのジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ａ上にＳＦＱパルスが発生する。
【００１４】
ジョセフソン接合５ａを流れるＳＦＱパルスは、回路の右側（出力側）に電流を発生させる。回路の右側（出力側）に発生した電流は、ＪＴＬ回路４の次段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ｂにバイアス電流を流しておくと、ジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ｂ上にジョセフソン接合配線５ａ上のＳＦＱパルスが伝播されるように発生する。なお、発生するＳＦＱパルスの応答時定数は、一般のＪＴＬ回路でも数ピコ秒とすることができる。
【００１５】
以上のように、（１）光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１を光子検出に用いるため、ＡＰＤのようなアフターパルスがない。（２）また、ＳＳＰＤに比べ、低いバイアス電流／臨界電流比で動作可能であり、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができる。（３）また、超伝導ストリップ線１における微弱な電流パルスを光子検出原理としないため、ＳＳＰＤに配される低ノイズアンプ（図１（ａ）参照）を用いる必要がなく、原理的に測定系の低ジッタ化を可能とする。（４）更に、ＳＳＰＤでは、超伝導ストリップ線１の立下り時間τが超伝導ストリップ線のインダクタンスＬによる制限により（図１（ａ）参照）、応答時定数が数十ナノ秒とされ、光子の計数率が高々数百ＭＨｚ程度であるところ、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１のインダクタンスＬによる計数率の制限を受けず、応答時定数が数ピコ秒とされる。これは、ＳＳＰＤに比べ計数率を３桁以上向上可能であることを意味する。
【００１６】
ところで、本発明者は、このような光子検出装置１０の実用化に向け、光子の入射を受けて超伝導ストリップ線１から磁束を飛散させるのに好適な超伝導ストリップ線１に供給するバイアス電流の大きさについて、更なる検討を行っている。
この点、初期の検討では、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が９０％以上の大きさのバイアス電流を流すと、ダークカウントが生じ易く、値が６０％未満の大きさのバイアス電流を流すと、磁束−反磁束対を発生させにくく、延いては超伝導ストリップ線１から磁束を飛散させにくいことから、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が６０％〜８５％の大きさのバイアス電流を流すことが好適と考えていた。
【００１７】
しかしながら、その後、検討を重ねた結果、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対して、値が６０％未満の大きさのバイアス電流を流す場合でも、超伝導ストリップ線１に磁束−反磁束対を発生させることができ、飛散する磁束に基づく光子の検出が可能であることの知見を得た。
超伝導ストリップ線１に磁束−反磁束対を発生させるバイアス電流は、値が小さい程、ダークカウントの発生を抑制することができることから、先の知見は、光子検出装置１０をより一層実用的なものとするための革新的な鍵となる。
【００１８】
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、実用的で、アフターパルスがなく、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができ、かつ、低ジッタで高い計数率が得られる光子検出装置及び光子検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞  板面が光子検出面とされる長板状の超伝導ストリップ線及び前記超伝導ストリップ線にバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段を有する光子検出部と、光子検出時に前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を検出可能な単一磁束量子コンパレータ回路とを有し、前記バイアス電流供給手段が、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流す手段であることを特徴とする光子検出装置。
＜２＞  単一磁束量子コンパレータ回路が、少なくとも配線内にジョセフソン接合を有するジョセフソン接合配線と、前記ジョセフソン接合配線−超伝導ストリップ線間を電気的に接続する超伝導配線とを有し、前記超伝導ストリップ線と前記超伝導配線と前記ジョセフソン接合配線とで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される前記＜１＞に記載の光子検出装置。
＜３＞  検出対象の光子が導波される光導波路上に超伝導ストリップ線が配される前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜４＞  光導波路の光導波方向に沿って超伝導ストリップ線が複数配されるとともに、個々の前記超伝導ストリップ線に対応して光子検出部と単一磁束量子コンパレータ回路が複数配され、更に、個々の前記単一磁束量子コンパレータ回路から出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力される統合入力回路が配される前記＜３＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜５＞  更に、参照時間信号の入力時間と、磁束の検出に伴い単一磁束量子コンパレータ回路又は統合入力回路から出力される出力信号の入力時間との時間差を計測し、前記時間差から前記出力信号をデジタルデータ化する時間デジタル変換器を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光子検出装置。
＜６＞  前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の光子検出装置を用いて光子を検出する光子検出方法であって、バイアス電流を超伝導ストリップ線に流した状態で検出面に前記光子を入射させ、前記光子の入射により前記超伝導ストリップ線から飛散する磁束を単一磁束量子コンパレータ回路で検出することで、前記光子を検出することとし、かつ、前記超伝導ストリップ線の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を前記超伝導ストリップ線に流すことを特徴とする光子検出方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、実用的で、アフターパルスがなく、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができ、かつ、低ジッタで高い計数率が得られる光子検出装置及び光子検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１（ａ）】従来のＳＳＰＤ光子検出装置の等価回路を示す図である。
【図１（ｂ）】量子効率のバイアス電流依存性とダークカウントレートのバイアス電流依存性を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の概要を示す説明図である。
【図３（ａ）】超伝導ストリップ線に光子が入射された際の超伝導秩序パラメータの時間的変動をシミュレートした結果を示す図である。
【図３（ｂ）】磁束−反磁束対の解離状況を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の概要を示す説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の概要を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（光子検出装置及び光子検出方法）
＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る光子検出装置は、先に説明した、検討に係る光子検出装置１０（図２参照）と、バイアス電流供給手段を除き、同様の構成とされる。
以下では、改めて第１の実施形態に係る光子検出装置を説明するが、参照図面及び図中の符号については、説明の便宜上、図２及び図２に示す符号を用いる。
【００２３】
光子検出装置１０は、主として超伝導ストリップ線１と、単一磁束量子（ＳＦＱ）回路としてのジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ）回路４とで構成される。
【００２４】
超伝導ストリップ線１は、板面が光子検出面とされる長板状の部材である。この超伝導ストリップ線１としては、特に制限はなく公知のものから適宜選択して用いることができる。
また、超伝導ストリップ線１の形状としては、特に制限はないが、ここでは超伝導ストリップ線１から排除される磁束を線の長さ方向と直交する方向に排除させ、ＪＴＬ回路４での磁束検出を安定化させる目的から直線状の形状とされる。ただし、直線状とする場合でも、光子入射時に線外に排除される磁束をＪＴＬ回路４で検出可能な限り、直線状の部位の他に直線状以外の部位を付加することを妨げない。
超伝導ストリップ線１の線幅としては、特に制限はなく、一般に１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、厚みとしても、特に制限はなく、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。
また、超伝導ストリップ線１の長さとしては、特に制限はないが、１μｍ以上１０μｍ未満が好ましく、２μｍ〜５μｍがより好ましい。長さが１μｍ未満であると、光子吸収率が低くなり、１０μｍ以上であるとＪＴＬ回路４での電流検出感度が低下することがある。
【００２５】
超伝導ストリップ線１には、バイアス電流が供給される。バイアス電流を供給するバイアス電流供給手段としては、特に制限はなく、例えば、電流源２を介して適宜の大きさのバイアス電流を供給する手段が挙げられる。光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１と前記バイアス電流供給手段とで光子検出部が構成される。
【００２６】
ここで、光子検出装置１０では、前記バイアス電流供給手段が、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を超伝導ストリップ線１に流す手段であることを技術の核とする。
即ち、本発明者は、下記表１に示すように超伝導ストリップ線１に対して光子を入射させていない状態でも、超伝導ストリップ線１に前記バイアス電流を供給すると、超伝導ストリップ線１から前記磁束−反磁束対が発生していることを偶発的に発見することができた。つまり、前記バイアス電流が流れる状態の超伝導ストリップ線１では、想定よりも遥かに超伝導パラメータが不安定な状態であり、光子を入射させれば、より一層前記超伝導パラメータが不安定になるため（図３（ａ）参照）、より確実に（例えば１００％の確率で）超伝導ストリップ線１から前記磁束−反磁束対を発生させることができる。言い換えれば、光子の検出のために超伝導ストリップ線１に供給する前記バイアス電流の大きさが、下記表１に示す前記バイアス電流の大きさに比べて小さい場合でも、光子を検出することができる。
【００２７】
【表１】
2018100946.tif 000003
【００２８】
ここで、下記表１に示す、バイアス電流／臨界電流（％）と磁束量子検出確率（％）の関係は、ニオブ製の超伝導ストリップ線（長さ；５μｍ、幅；１００ｎｍ）にバイアス電流を流した状態で前記超伝導ストリップ線から飛散する前記磁束の有無を、５０ｋＨｚの周期、即ち、２０マイクロ秒毎に測定したものであり、測定は、各バイアス電流の大きさ毎に１００，０００回行った。また、この測定は、前記ニオブ製の前記超伝導ストリップ線が超伝導性を示す４．２Ｋの温度下で行ったものである。
前記測定では、前記超伝導ストリップ線をニオブ製の超伝導材で形成しているが、ＹＢＣＯ製の超伝導材等の高温超伝導体は、超伝導ギャップエネルギーが大きく、磁束量子を発生させるために必要なバイアス電流も大きな値が必要となる。一方、ニオブ製の超伝導材等の低温超伝導体は、前記超伝導ギャップエネルギーが小さく、前記磁束量子を発生させるために必要なバイアス電流が僅かで済む。
なお、光子を入射しない状態で前記バイアス電流を供給した場合に発生する磁束（磁束量子）の存在は、ダークカウントの原因になり得るが、前記表１に示すように、発生確率が極めて低いことから、前記バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１に光子を入射させた場合に高確率で発生する磁束（磁束量子）と区別することができる。
【００２９】
前述の通り、前記バイアス電流供給手段としては、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、値が０％を超え６０％未満の大きさの前記バイアス電流を超伝導ストリップ線１に流す手段であるが、前記バイアス電流の大きさが小さい程、ダークカウントの発生を抑制することができ、光子検出装置１０をより一層実用的なものとすることができる。、こうした観点から、前記バイアス電流の大きさとしては、より小さいことが好ましい。即ち、前記バイアス電流の大きさとしては、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、その値が０％を超え３０％以下が好ましく、その値が０％を超え２０％以下がより好ましく、その値が０％を超え１０％以下が特に好ましい。
【００３０】
光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａと、超伝導ストリップ線１との間を電気的に接続する超伝導配線３とが配され、超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで磁束を検出可能な超伝導ループが構成される。
即ち、光子検出装置１０では、超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとでＳＦＱコンパレータ回路を構成する。
超伝導配線３としては、特に制限はなく、抵抗やキャパシタンスが比較的小さいものを挿入してもよいが、超伝導ストリップ線１にバイアス電流を流し易くするため、抵抗やキャパシタンスが比較的大きいものを挿入してもよい。また、超伝導ストリップ線１とジョセフソン接合配線５ａとは、前記超伝導ループを構成するため共通の接地で接続される。
なお、ＪＴＬ回路４としては、特に制限はなく、公知のＪＴＬ回路と同様の構成とすることができる。また、ジョセフソン接合としては、２つの超伝導材中に薄い絶縁膜を挟む態様のほか、超伝導材の一部を他の部分よりも細く加工して形成した態様（弱結合）等のジョセフソン効果を発生させる接合を含む。
【００３１】
光子検出装置１０では、前記超伝導ループが超伝導ストリップ線１から飛散する磁束を捉えるため、例えば、超伝導ストリップ線１の幅方向の延長上に直線状の超伝導ストリップ線１の長さ方向と平行してジョセフソン接合配線５ａを配して構成される。
また、磁束の減衰を避けるため、ジョセフソン接合配線５ａとしては、超伝導ストリップ線１の近傍に配されることが好ましく、超伝導ストリップ線１−ジョセフソン接合配線５ａ間の距離としては、最短距離で１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００３２】
光子検出装置１０の変形例として、超伝導配線３を設けず、超伝導ストリップ線１とＪＴＬ回路４とを別体で構成し、ＪＴＬ回路４中の超伝導ループで超伝導ストリップ線１から飛散する磁束を検出するように構成することもできる。この変形例では、ＪＴＬ回路４がＳＦＱコンパレータ回路を構成する。
【００３３】
しかしながら、前記超伝導ループを図２に示す超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａと構成すると、超伝導配線３を含め、磁束を排出する超伝導ストリップ線１と当該磁束をＳＦＱパルスとして検出可能とするジョセフソン接合配線５ａとがモノシリック体として各部の配置関係が固定されて形成され、光子を安定的に検出させることができ、より実用的である。
また、超伝導ストリップ線１自身が前記超伝導ループを構成するため、磁束を捉え易く、変形例における前記超伝導ループ外から飛散する磁束を検出する構成よりも、高い検出感度で磁束を検出することができ、より実用的である。
また、超伝導ストリップ線１を含む前記光子検出部を構成する配線と、前記コンパレータ回路（超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａ）を構成する配線とを同じ超伝導材料とすれば、製造効率を向上させることができるとともに微細加工を容易化させることができ、より実用的である。
【００３４】
ＪＴＬ回路４は、ＳＦＱ論理回路６と接続される。ＳＦＱ論理回路６としては、特に制限はなく、例えば、参照時間信号の入力時間と、磁束の検出に伴い前記ＳＦＱコンパレータ回路（ＪＴＬ回路４）から出力される出力信号の入力時間との時間差を計測し、前記時間差から前記出力信号をデジタルデータ化する時間デジタル変換器（ＴＤＣ；Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が挙げられる。
前記ＴＤＣとしては、特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができるが、極低温環境での動作のため、本発明者らが開発した下記参考文献に記載のＳＦＱ回路で構成されるＳＦＱ−ＴＤＣが好ましい。前記ＳＦＱ−ＴＤＣでは、タイミングジッタを２．５ピコ秒以下で信号処理を行うことができる。
前記ＴＤＣによりデジタルデータ化された信号は、装置外の室温環境下にあるデバイスに伝送される。一般に広帯域伝送が可能なケーブルは、熱の良導体でもあるため、超高速パルスを室温環境下まで伝送することが困難である。一方、デジタルデータ化された信号を伝送するためのケーブルは、ＭＨｚ帯域伝送のものでよく、室温環境下まで信号を伝送させることができる。
参考文献：K. Nakamiya, T. Nishigai, N. Yoshikawa, A. Fujimaki, H. Terai and S. Yorozu, "Improvement of time resolution of the double-oscillator time-to-digital converter using SFQ circuits," Physica C 463, 1088 (2007).
【００３５】
なお、光子検出装置１０は、超伝導動作を含むため、図示しない冷凍器等に収容されて用いられる。
【００３６】
−動作原理及び動作方法−
光子検出装置１０の動作原理及び動作方法について説明する。
先ず、前記光子検出部では、バイアス電流を流した状態の超伝導ストリップ線１の検出面に光子が入射されると、磁束−反磁束対が解離（Ｕｎｂｉｎｄｉｎｇ）する。磁束−反磁束対の発生は、超伝導秩序パラメータの変動に起因するものと考えられる。図３（ａ）は、超伝導ストリップ線に光子が入射された際の超伝導秩序パラメータの時間的変動をシミュレートした結果を示す図である。この図３（ａ）に示すように、光子が入射されてから５ピコ秒程度だけ遅れて超伝導秩序パラメータが振動することが分かる。
【００３７】
図３（ｂ）は、磁束−反磁束対の解離状況を示す説明図である。超伝導秩序パラメータの振動によって超伝導ストリップ線１に発生した磁束−反磁束対は、超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流によってローレンツ力を受けて磁束−反磁束対に解離し、それぞれ超伝導ストリップ線１中からバイアス電流の流れる方向と直交する方向、即ち、超伝導ストリップ線１の幅方向に磁束−反磁束対が排除され、これらが超伝導ストリップ線１から飛散する。
なお、このとき超伝導ストリップ線１を流れるバイアス電流が臨界電流近くまで十分に大きいと、超伝導ストリップ線１の幅方向に完全な常伝導領域が形成される。従来技術であるＳＳＰＤでは、このような超伝導ストリップ線１の幅方向に完全な常伝導領域を形成させることによって電流パルスを出力することとしているが、これを換言すれば、超伝導ストリップ線１の臨界電流近くまで十分に大きいバイアス電流を流す必要があることを意味している。
これに対し、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１に流すバイアス電流の大きさが、超伝導ストリップ線１の臨界電流値に対し、６０％未満の大きさとすることができ、超伝導ストリップ線１の臨界電流値からみて、バイアス電流の大きさを十分に小さいものとすることができる。延いては、ＳＳＰＤにおいて不可能とされた、高い感度と低いダークカウントレートとの両立が可能となる。
【００３８】
再び図２を参照しつつ、説明をする。
超伝導ストリップ線１から飛散する磁束は、単一磁束量子として超伝導ストリップ線１と超伝導配線３とジョセフソン接合配線５ａとで構成される前記超伝導ループに捉えられ、前記超伝導ループにパルス状のループ電流を発生させる。このときＪＴＬ回路４の初段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を流しておくと、ループ電流とバイアス電流との和がジョセフソン接合配線５ａのジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ａ上にＳＦＱパルスが発生する。
ジョセフソン接合５ａを流れるＳＦＱパルスは、回路の右側（出力側）に電流を発生させる。回路の右側（出力側）に発生した電流は、ＪＴＬ回路４の次段を構成し配線内にジョセフソン接合（図２中、×で示す接合）を有するジョセフソン接合配線５ｂにバイアス電流を流しておくと、ジョセフソン接合の臨界電流値を一時的に超え、ジョセフソン接合が常伝導転移し、ジョセフソン接合配線５ｂ上にジョセフソン接合配線５ａ上のＳＦＱパルスが伝播されるように発生する。なお、発生するＳＦＱパルスの応答時定数は、一般のＪＴＬ回路でも数ピコ秒とすることができる。
ＪＴＬ回路４を伝播するＳＦＱパルスは、ＳＦＱ論理回路６に出力され、デジタルデータ化され、適当なケーブルにより室温環境下まで伝送される。ＳＦＱ論理回路６として、前記ＳＦＱ−ＴＤＣを用いれば、タイミングジッタを２．５ピコ秒以下として信号処理を行うことができる。
【００３９】
なお、前述の光子検出装置１０では、ＪＴＬ回路４の初段を構成するジョセフソン接合配線５ａを前記コンパレータ回路の構成部材として説明をしたが、ＪＴＬ回路４自体は、ジョセフソン接合配線５ａ上に発生したＳＦＱパルスを伝送させる手段であり、前記コンパレータ回路と分けて考えることができる。
したがって、更なる変形例として、図２中のＪＴＬ回路４を持たず、超伝導ストリップ線１を含む前記光子検出部と、超伝導配線３、ジョセフソン接合配線５ａに加え、ジョセフソン接合配線５ａにバイアス電流を供給する公知のバイアス電流供給手段、及びジョセフソン接合配線５ａ上に発生するＳＦＱパルスを検出する公知の検出手段で構成されたコンパレータ回路とで、光子検出装置を構成してもよい。
【００４０】
以上のように、（１）光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１を光子検出に用いるため、ＡＰＤのようなアフターパルスがない。（２）また、ＳＳＰＤに比べ、低いバイアス電流／臨界電流比で動作可能であるため、ダークカウントの発生を抑えた光子検出を行うことができる。（３）また、超伝導ストリップ線１における微弱な電流パルスを光子検出原理としないため、ＳＳＰＤに配される低ノイズアンプ（図１（ａ）参照）を用いる必要がなく、原理的に測定系の低ジッタ化を可能とする。（４）更に、ＳＳＰＤでは、超伝導ストリップ線１の立下り時間τが超伝導ストリップ線のインダクタンスＬによる制限により（図１（ａ）参照）、応答時定数が数十ナノ秒とされ、光子の計数率が高々数百ＭＨｚ程度であるところ、光子検出装置１０では、超伝導ストリップ線１のインダクタンスＬによる計数率の制限を受けず、応答時定数は、磁束発生の時間幅（図３（ａ）参照）又はＳＦＱパルスの立下り時間（図２参照）によって決定され、いずれにしても数ピコ秒とされる。これは、ＳＳＰＤに比べ計数率を３桁以上向上可能であることを意味する。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態の概要を示す説明図である。
光子検出装置５０は、主として超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ、ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ、統合入力回路（ＣＢ；Ｃｏｎｆｌｕｅｎｃｅ  Ｂｕｆｆｅｒ）７ａ〜７ｃ、ＳＦＱ論理回路６、光導波路８ｂ、光子検出部、コンパレータ回路が基板８ａ上にモノシリックに形成されて構成される。なお、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ、ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ、ＳＦＱ論理回路６、前記光子検出部、前記コンパレータ回路の各部の詳細は、光子検出装置１０における超伝導ストリップ線１、ＪＴＬ回路４、ＳＦＱ論理回路６、前記光子検出部、前記コンパレータ回路と同様であるため、個々の構成及び動作に関する説明を省略する。
【００４２】
超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄは、光導波路８ｂ上に形成される。光導波路８ｂとしては、例えば、公知のシリコン導波路等から構成される。
光導波路８ｂは、例えば、図中下端側から光ファイバ等の光供給源により光が導入され、矢印方向に光が導波可能とされる。光導波路８ｂ内に導波される光は、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに入射されることとなる。
このように構成すると、例えば、光供給源から光子を出射して、直接、超伝導ストリップ線１ａに光子を入射させるよりも、高い確率で超伝導ストリップ線１ａに光子を入射させることができる。
【００４３】
また、光導波路８ｂ上には、４つに分割された超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄが配される。
これら超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに代えて、１本の長大な超伝導ストリップ線を配する場合、１０μｍ程度の長さで約９０％の光子吸収率を実現することができ、１μｍ短くなるごとに光子吸収率が１ｄＢずつ低下する。
しかしながら、このような長大な超伝導ストリップ線を用いると、超伝導ループにおける電流感度が低下することがある。磁束が作るループ電流ＩＬの大きさは、次式、ＩＬ＝Φ／Ｌで表される。式中、Φは、単一磁束量子；２×１０−１５Ｗｂを示し、Ｌは、超伝導ストリップ線のインダクタンスを示す。ＪＴＬ回路の磁束検出感度として、ＩＬは、一定以上の値であることが求められるが、超伝導ストリップ線が長いとＬが大きくなる。
そのため、図４に示すように長さが比較的短い超伝導ストリップ線（１ａ〜１ｄ）を光導波路８ｂの光導波方向に沿って複数配し、これら長さが短い超伝導ストリップ線全体で長さが長い１本の超伝導ストリップ線の役割を担わせることが有利となる。
【００４４】
光子検出装置５０では、個々の超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄに対応して光子検出部（不図示）とＪＴＬ回路（ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ）が複数配され、更に、個々のＪＴＬ回路４ａ，４ｂから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ａ，同様に個々のＪＴＬ回路４ｃ，４ｄから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ｂが配され、更に、個々のＣＢ回路７ａ，７ｂから出力されるそれぞれの出力信号が統合して入力されるＣＢ回路７ｃが配される。超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄ，ＪＴＬ回路４ａ〜４ｄ，ＣＢ回路７ａ〜７ｃ，ＳＦＱ論理回路６及び光導波路８ｂで１つのモノシリックな光検出アレイ９を構成する。
各ＣＢ回路７ａ〜７ｃとしては、公知のＳＦＱ回路に用いられる回路構成から適宜選択して構成することができる。
なお、基板８ａとしては、例えば、酸化シリコン基板等の公知の基板を用いることができる。また、ＳＦＱ論理回路６から出力されるデジタルデータは、図示しないケーブル等により、室温環境下のデバイスまで伝送される。
【００４５】
このように構成される光子検出装置５０では、超伝導ストリップ線１ａ〜１ｄの少なくともいずれかで光子を吸収することができれば、これを検出することができ、飛躍的に光子の検出効率を向上させることができる。
【００４６】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態の概要を示す説明図である。
図５に示す光子検出装置１００は、図４に示す光子検出装置５０における光子検出アレイ９が同一基板上に複数配されたモノシリックデバイスとして構成とされる。これ以外は、光子検出装置５０と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
このような光子検出装置１００によれば、独立した光ファイバ等の光供給源からの光子を各光子検出アレイ９で独立して検出することができ、複数の情報源からの通信信号を処理することができる。例えば、量子もつれ量子暗号通信の基本的なセットアップである、偏光（４）×二波長多重化（２）×送受信（２）のセットアップでは、合計１６の通信信号を独立して処理することが求められるが、光子検出アレイ９を同一基板上に１６アレイ配することとすれば、こうした通信分野にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１，１ａ〜１ｄ  超伝導ストリップ線
２    電流源
３    超伝導配線
４，４ａ〜４ｄ  ＪＴＬ回路
５ａ，５ｂ  ジョセフソン接合配線
６    ＳＦＱ論理回路
７ａ〜７ｃ  ＣＢ回路
８ａ  基板
８ｂ  光導波路
９    光子検出アレイ
１０，５０，１００  光子検出装置
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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