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通信波長帯超高速超伝導単一光子検出器 究極の光検出技術の実現と量子情報通信応用へ 神戸研究所未来ICT研究センター ナノICTグループ グループリーダー 王 鎮

注目されている量子情報通信技術

絶対に破られることのない量子暗号などの量子情報通信技術は、次世代暗号技術や情報通信技術として注目されています。

量子情報通信技術では、現在の「十分に強い光」を利用した光通信とは違い、微弱な光が持つ光の粒子(単一光子)を情報のキャリアとして利用しているため、光子一粒である「単一光子」の発生、伝送、検出など、新たな基盤技術の確立が不可欠となっています。その中で、高速・高感度な単一光子検出器の研究開発は特に重要な研究課題となっており、NICTでは、未来ICT研究センターと新世代ネットワーク研究センターの連携により、超伝導材料を用いた超高速単一光子検出器の研究開発を推進してきました。

なぜ超伝導?

光検出器としては、SiやInGaAs/InPなどの半導体材料を用いたアバランシェフォトダイオード(APD)が既に開発されています。しかし、量子情報通信に応用する場合、APDでは、動作速度が遅い、検出効率が低い、雑音が高いなど多くの問題があります。これらの問題を解決するキーデバイスとして、近年、超伝導物質における巨視的量子現象を利用した超伝導単一光子検出器(SSPD)が提案され、材料・デバイスからシステムまでの研究開発が欧米、日本を中心に活発に行われてきました。SSPDは超伝導現象がもたらした高速な電子・フォノン相互作用と極低温で動作するため、APDより2けた以上の高速性と、究極の低雑音性などが期待されています。また、SSPDは波長感度領域が極めて広く、素子1つでSi‐APDとInGaAs/InP‐APDの感度領域をすべてカバーできます。さらに、SSPDはAPDのようなゲート同期動作が不要であるため、実用化の際にシステムの構築も容易と非常に大きなメリットがあります。

動作原理

SSPDでは、超伝導体における超伝導状態から常伝導状態に移行する際に生じる急激な抵抗変化を利用して光子検出を行っています。高速、かつ効率よく光子を検出するために、超伝導体には非常に薄い薄膜を非常に細いメアンダ(蛇行)状に加工した超伝導ナノワイヤを用いています。図1(a)にその概略図を示します。動作原理としては、まず、超伝導ナノワイヤに、抵抗ゼロで流すことができる最大の超伝導電流(超伝導臨界電流)より、わずかに小さいバイアス電流を流しておきます。ここで超伝導ナノワイヤに単一光子が照射された場合、ワイヤ中の超伝導電子対が破壊され、常伝導状態の部分(ホットスポット)が生成されます(図1(b)@)。その時、バイアス電流はホットスポット以外の超伝導部分へ流れますが、その部分の電流密度が増大することで更に超伝導状態が常伝導状態に移行し、ホットスポットの増大(図1(b)A、(b)B)、最終的にホットスポットがナノワイヤの端から端を覆うようになります(図1(b)C)。したがって、超伝導電流が完全に遮断され、超伝導ナノワイヤの中に局所的な抵抗部分が現れ、同時に出力電圧が発生します。その後、ホットスポットの中の励起エネルギーが基板に拡散することによって、再び超伝導状態へと回復し、出力電圧もゼロに戻ります。結果として入射した単一光子の信号は、電圧パルスの出力として観測されます。

図1(a)超伝導ナノワイヤ単一光子検出素子の概略図 (b)ホットスポット生成過程の概念図

SSPD素子とシステム性能

SSPDの性能を左右するキーテクノロジーとしては、高品質・極薄超伝導薄膜の作製、ナノワイヤ微細加工、入射光子と素子の高効率結合及び高速計測などがあげられます。しかし、現在までに、極薄超伝導薄膜の作製、ナノ微細加工の困難さとともに、極低温で動作するため、実用化に向けたシステム化も困難とされ、未開拓な技術課題が多々残されています。NICTでは独自の高品質超伝導薄膜作製技術と電子ビーム描画、フォトリソグラフィ技術などを駆使して、厚さ5nm以下、線幅80〜100nmの窒化ニオブ(NbN)ナノワイヤ単一光子検出素子の作製に成功しました。図2は作製したSSPD素子の顕微鏡写真です。素子の心臓部である受光部(ナノワイヤメアンダ部)の面積は20×20μu、ナノワイヤの厚さと幅はそれぞれ5nmと100nm、全長が2000μmである1本のナノワイヤを、線幅や厚さなどを均一性よく作製することに成功しました。

図2 超伝導ナノワイヤ単一光子検出素子 図3 光ファイバと一体化したSSPDパッケージ

また、単一光子を検出素子に効率良く結合させるために、光ファイバとSSPD素子の実装技術を開発し、ミクロンオーダーの精度で光ファイバーと素子を合わせることを可能としました。図3は光ファイバを実装したSSPDパッケージの写真です。さらに、実用化を目指して、無冷媒かつ100V電源で駆動可能な小型可搬式ギフォート・マクマホン(GM)冷凍機を用いたSSPDシステムを開発しました。図4にはGM冷凍機及び周辺回路や光子計数器などを一体化したSSPDシステムの写真及びシステム性能表を示しています。開発したシステムには図3に示したSSPDパッケージ6個を実装しており、同時に6チャンネルの光子検出が可能となっています。現時点では量子検出効率が約3%、動作速度が50MHz、暗計数率が100カウント/秒、トータル性能として既にAPDを超えています。今後、超伝導ナノワイヤの膜厚や線幅及び構造などの最適化により、更なる性能アップが期待できます。

図4 SSPDシステム写真と性能表

今後の展望

SSPDによる単一光子検出技術は将来の量子情報通信技術を支えるコア技術として、実用化に向けた研究開発が始まったばかりです。今後、検出効率及び動作速度などの性能向上によってAPDなどを凌駕する究極の光子検出器として期待され、量子情報通信分野だけではなく、量子光学、宇宙物理学、生体質量分析、新薬開発、低エネルギー粒子検出などさまざまな分野での実用化も可能となります。


Profile

王 鎮 王 鎮(ワン チン)
神戸研究所未来ICT研究センター ナノICTグループ グループリーダー
1991年通信総合研究所(現NICT)入所。超伝導エレクトロニクス研究に従事。中国南京大学、大阪府立大学客員教授。中国科学院南京紫金山天文台客員研究員。工学博士。



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