NICT、極めて高い光感度を持つ「超伝導ナノワイヤ単一光子検出器」を開発

検出効率８０％以上の「超伝導ナノワイヤ単一光子検出器」を開発
〜従来の３倍のシステム検出効率を達成！〜


【ポイント】
　■超伝導技術を使って、極めて高い光感度を持つ単一光子検出システムを開発
　■従来比３倍の検出効率８０％、半導体光子検出器よりも１，０００倍以上の性能指数を達成
　■量子暗号通信、微弱光通信、レーザー測距技術、蛍光測定など幅広い分野での応用が可能


　独立行政法人情報通信研究機構（以下「NICT」、理事長：坂内正夫）は、通信波長帯（＊１）でシステム検出効率（＊２）８０％以上（従来の約３倍）という極めて高い光感度を持つ「超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SSPD）」（＊３）の開発に成功しました。今回開発したSSPDは、高検出効率に加え、高計数率（＊４）、低ノイズ（低暗計数率（＊５））、低ジッタ（＊６）という特長を兼ね備えており、量子暗号通信（＊７）の通信可能距離の大幅な改善などに役立つと考えられます。また、本SSPDは、液体ヘリウムを必要としない小型の機械式冷凍機（＊８）で冷却できるため、長時間の連続使用が可能です。さらに、光キャビティ構造（＊９）の最適化により、幅広い波長帯域で高い検出効率を実現できるため、現在広く利用されているアバランシェ・フォトダイオード（APD）（＊１０）よりも更に高性能な光子検出器として、バイオ・医療分野をはじめ幅広い分野での利用が期待されます。
　なお、本研究成果の一部は、２０１３年１１月４日（米国時間）付けの米国科学誌Optics　Expressに掲載されました。


【背景】
　現在、量子暗号通信、量子光学、微弱光通信、レーザー測距技術、蛍光測定など、様々な分野で高性能な「光子検出器」に対するニーズが高まっており、光子を高効率で捕捉し、高計数率、低ノイズ、低ジッタ（時間揺らぎが小さい）で検出することが求められています。これまでは半導体光子検出器であるAPDが広く用いられてきましたが、アフターパルス（＊１１）と呼ばれる現象がシステム性能の向上を阻む要因となっていました。一方、SSPDは、アフターパルスがなく、低ノイズ、低ジッタという特長を有するため、量子暗号通信などに利用され始めており、更なる検出効率や計数率の向上が求められていました。これまでNICTが開発したSSPDは、通信波長帯（１，５５０nm）において２０〜３０％のシステム検出効率でした。


【今回の成果】
　今回NICTが新たに開発したSSPDは、従来のおよそ３倍の検出効率８０％を達成しました。これは、ダブルサイドキャビティと呼ばれる構造を採用し、光を超伝導ナノワイヤ近傍に閉じこめることで実現しました（補足資料　図１）。基板材料を変更したことで超伝導ナノワイヤの特性均一性が改善したことも、今回の検出効率の向上に大きく寄与しています。本SSPDは、光子の高い検出効率に加え、４０カウント／秒の低暗計数率という低ノイズ、６８ピコ秒という低ジッタも実現しました（補足資料　図２）。
　さらに、ダブルサイドキャビティ構造では、超伝導ナノワイヤが素子全体に占める面積比率（フィリングファクタ（＊１２））を従来の半分以下にしても、光吸収効率に大きな低下がないことを今回新たに見いだしました。フィリングファクタを低下させることでより高速な光検出応答が可能（＊１２）となり、高検出効率と従来の２．８倍に相当する７０MHz（光子検出７，０００万個／秒）の最大計数率を実現することができました（補足資料　図３）。今回開発したSSPDは、InGaAs（＊１３）APDに対して１，４４０倍もの優位性を示しています（補足資料　表１）。また、高価かつ取扱いが難しい液体ヘリウムを必要としない、小型機械式冷凍機で冷却できるため、長時間の連続運転も可能となっています。


　※参考画像は、添付の関連資料を参照


【今後の展望】
　今回、通信波長帯（１，５５０nm）で８０％以上の検出効率を達成しましたが、光子のエネルギーが大きい短波長領域ほど高い検出効率を達成する上で有利となります。キャビティ構造の最適化により、１ミクロン（１，０００nm）以下の波長領域においても、現在広く使われているAPD等の光子検出器の性能を大きく凌駕できると考えられます。これまでは量子暗号通信での利用が中心でしたが、今後、こうした新たな波長領域における、量子光学、微弱光通信、レーザー測距技術、蛍光測定など様々な分野で、最も高性能な光子検出器としてSSPDが幅広く利用されることが期待されます。


　※以下の資料は、添付の関連資料「参考資料」を参照
　　・用語解説
　　・掲載論文
　　・参考論文
　　・過去のプレスリリース
　　・図１　従来構造と今回採用した「ダブルサイドキャビティ構造」
　　・図２　開発したSSPDのシステム検出効率、暗計数率のバイアス電流依存性とFWHMジッタ
　　・図３　システム検出効率と最大計数率のフィリングファクタ依存性
　　・表１　InGaAs　APDと今回開発したSSPDとの性能比較