世界最高性能マルチチャンネル超伝導単一光子検出システムを開発

量子暗号や量子情報通信技術の実現には、高感度、高速かつ低雑音で光子を検出する技術の開発が一つの鍵となっています。なかでも、超伝導単一光子検出器は、光子検出技術のキーデバイスとして期待されてきました。これまでに、NICTは独自の超伝導薄膜・デバイス作製技術と光ファイバ実装技術、及びシステム化技術を開発し、国産第1号機となる超伝導単一光子検出システム(図1)を開発(平成20年9月30日に報道発表)、都市圏敷設ファイバで世界最長、最高速の量子暗号鍵配送を実現しています(平成20年3月26日に報道発表)。しかし、都市間伝送などの長距離・高速伝送の実現や、高感度光子検出器としての実用化・製品化には、より高い性能(検出効率と動作速度の向上)が求められてきました。

今回開発したマルチチャンネル超伝導単一光子検出システムは、2年前のNICT開発のシステムに比べて検出効率が7倍、動作速度が2倍に向上しました。また、トータル性能として半導体APDを100倍凌駕しました(表1)。

1. 検出効率の向上：積層薄膜により構成された光キャビティを用いた新しい検出素子(図2)を開発し、単層薄膜素子より7倍以上の検出効率の向上を実現しました。
2. 動作速度の向上：レンズ付き光ファイバを用いることによって、より小さい受光面積をもつ検出素子への集光が可能となり、動作速度を2倍向上しました。
3. システムの小型化：システム設計の最適化によって、従来のNICT開発の検出システムに比べ2/3まで小型化しました。

今後、デバイスの改良とシステムの最適化を図り、さらなる高性能化(検出効率40%、動作速度1GHz)を実現することによって量子暗号システムへの実用化を目指します。また、基礎科学と応用光学など様々な分野での実用化・製品化を目指して、規格化や標準化などの国際戦略活動を行い、新たな産業創出に貢献することも期待されます。

なお、本成果の詳細は、2010年7月1日にOptics Letterにて論文掲載されました(Optics Letters, Vol. 35 Issue 13, pp.2133-2135 (2010))。また、2010年8月1日からアメリカで開催される国際会議「Applied Superconductivity Conference 2010」にて発表を予定しています。

厚さ数ナノメートル、幅100ナノメートル(1万分の１ミリメートル)ほどの超伝導体細線に光ファイバから単一光子が入射すると、超伝導状態が壊れることを利用し、光子を検出する。半導体APD検出器に比べ極めて低雑音で、かつ光子の到来時間を正確に捉えることが可能。
SSPD: Superconducting Single Photon Detectorの略語

半導体におけるアバランシェ倍増(雪崩現象とも呼ばれる)現象を利用して受光感度を上昇させるフォトダイオードである。
APD: Avalanche Photodiodeの略語

光キャビティ(光共振器)は、鏡が2枚(図2(a)のNbN超伝導ナノワイヤとAu薄膜)向き合っている構造となっている。光の波長がキャビティ長の整数分の１のときに、キャビティ内を繰り返し往復することで定常波を形成することによって、光を閉じ込めることが可能である。