超伝導ナノワイヤ単一光子検出器

超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPDまたはSSPD ）は、電流バイアス超伝導ナノワイヤに基づく光および近赤外線単一光子 検出器の一種です。^[1]これは、2001年にモスクワ国立教育大学とロチェスター大学の科学者によって最初に開発されました。 ^{[2] [3]}最初の完全に動作するプロトタイプは、2005年に国立標準技術研究所（ボルダー）とBBNテクノロジーズによって、 DARPA量子ネットワークの一環として実証されました。^{[4] [5] [6] [7]}

2023年現在、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、光子計数用の最速の単一光子検出器（SPD）です。^{[8] [9] [10]これは、}量子光学と光量子技術 を実現するための重要な技術です。SNSPDは、他のタイプの単一光子検出器と比較して、非常に高い検出効率、非常に低い暗計数率、および非常に低いタイミングジッタで利用できます。SNSPDは、国際電気標準会議（IEC）の国際規格でカバーされています。^[11] 2023年現在、商用SNSPDデバイスは、10万ユーロの価格帯でマルチチャンネルシステムで利用できます。

最近、1.5μmの幅の超伝導線で赤外線光子を1つ検出できることが発見されました。^{[12] [13] [14]}これは、電子リソグラフィーではなく光リソグラフィーをその構築に使用できるため重要です。これにより、大きな光検出器領域を必要とするアプリケーションのコストが削減されます。1つのアプリケーションは、シンチレーションのあるGaAs結晶をターゲットとする暗黒物質検出実験です。シリコンとホウ素を適切にドープしたGaAsは、明らかな残光がなく、発光する極低温シンチレータであり、大型で高品質の結晶の形で市販されています。^{[15] [16] [17]}

SNSPD は、薄く (≈ 5 nm) 細い (≈ 100 nm)超伝導 ナノワイヤで構成されています。長さは通常数百マイクロメートルで、ナノワイヤはコンパクトな蛇行形状にパターン化されており、高い検出効率を持つ正方形または円形のピクセルを作成します。ナノワイヤは超伝導臨界温度よりはるかに低い温度に冷却され、ナノワイヤの超伝導臨界電流に近いがそれより低いDC電流でバイアスされます。ナノワイヤに光子が入射するとクーパー対が破壊され、局所臨界電流がバイアス電流よりも低くなります。その結果、有限の電気抵抗を持つ局所的な非超伝導領域、つまりホットスポットが形成されます。この抵抗は通常、読み出し増幅器の 50 オームの入力インピーダンスよりも大きいため、バイアス電流の大部分は増幅器に分流されます。これにより、バイアス電流に 50 オームを乗じた値にほぼ等しい測定可能な電圧パルスが生成されます。バイアス電流の大部分が増幅器を流れると、非超伝導領域は冷却され、超伝導状態に戻ります。電流がナノワイヤに戻るまでの時間は通常、ナノワイヤの誘導時定数によって設定され、これはナノワイヤの運動インダクタンスを読み出し回路のインピーダンスで割った値に等しくなります。 ^[18]デバイスの適切な自己リセットには、この誘導時定数がナノワイヤホットスポットの固有の冷却時間よりも遅くなることが必要です。^[19]

SNSPD は超伝導遷移端センサーの固有エネルギーや光子数分解能には及ばないものの、従来の遷移端センサーよりも大幅に高速で、より高温で動作します。SNSPD アレイでは、時間ビニング^[21]または高度な読み出し方式[ ^{22]により、ある程度の光子数分解能を実現できます。ほとんどの SNSPD は}スパッタリングされた窒化ニオブ(NbN) で作られており、比較的高い超伝導臨界温度 (≈ 10  K ) を備えているため、SNSPD は 1 K ～ 4 K の温度範囲で動作できます (液体ヘリウムまたは最新の閉サイクル クライオクーラーと互換性があります)。NbN の固有の熱時定数は短く、光子吸収後の冷却時間が非常に短くなります (<100 ピコ秒)。^[23]

超伝導ナノワイヤの吸収は、光キャビティとの統合、^[24]光導波路との統合^[25]またはナノアンテナ構造の追加など、さまざまな戦略によって高めることができます。^{[26] NbN} 、NbTiN、WSi、MoSiのSNSPDキャビティデバイスは、数十MHzのカウントレートで、1550 nmの波長で98％を超えるファイバー結合デバイスの検出効率を実証しています。^[27] 検出効率は、各検出器の特定の波長範囲に対して最適化されています。 ただし、超伝導電流の有効断面積が減少するナノワイヤの非常に局所的な領域のため、検出効率は大きく異なります。^[29] SNSPDデバイスは、ジッタ（光子の到着時間の不確実性）が可視波長で3ピコ秒と非常に低いこと も実証しています。^{[30] [31] [32]タイミングジッターは、時間相関単一光子計数（TCSPC） [33]}アプリケーション にとって非常に重要な特性です。さらに、SNSPDは暗カウント率、つまり検出された光子がない場合の電圧パルスの発生率が非常に低いです。 ^[34]さらに、デッドタイム（検出イベント後の検出器が感度を持たない時間間隔）は数ナノ秒のオーダーであり、この短いデッドタイムは非常に高い飽和カウント率につながり、単一の検出器でアンチバンチング測定を可能にします。^[35]

しかし、より長い波長の光子を検出する場合、標準的なSNSPDの検出効率は大幅に低下します。^[36]近赤外および中赤外波長での検出効率を改善するための最近の取り組みには、より狭い（幅20 nmおよび30 nm）NbNナノワイヤの研究^[37]や、NbNよりも超伝導臨界温度が低い代替超伝導材料^{[38] （}タングステンシリサイド、^[39]ニオブシリサイド、^[40]モリブデンシリサイド^[41]および窒化タンタル^[42]）の広範な研究が含まれます。最近、タングステンシリサイドSNSPDで10マイクロメートルの波長までの単一光子感度が実証されました。^[43]原子層堆積 などの代替薄膜堆積技術は、SNSPDのスペクトル範囲と拡張性を大面積に拡張するために興味深いものです。^{[44] SNSPD用に} 高温超伝導体が研究されており^{[45] [46]、}最近いくつかの有望な報告がある。^{[47] [48]} SNSPDは、可視光と近赤外線で単一光子感度を持つ二ホウ化マグネシウム から作られている。 ^{[49] [50]}

SNSPDを大規模なマルチピクセルアレイやカメラにスケールアップすることには大きな関心と努力が注がれています。^{[51] [52]} キロピクセルのSNSPDアレイが最近報告されました。^[53] 重要な課題は読み出しであり、^{[54]これは多重化[55] [56]または超伝導}単一磁束量子ロジックを使用したデジタル読み出しによって解決できます。 ^[57]

SNSPDの初期の応用実証の多くは、量子鍵配送^[59]や光量子コンピューティングなどの量子情報^[58]の分野で行われてきました。^{[60] [61]}その他の現在および新興のアプリケーションには、 CMOS回路の欠陥分析のための赤外線光電子放出の画像化、^[62]単一光子エミッターの特性評価、^[63] LIDAR、^{[64] [65] [66]}オンチップ量子光学、^{[67] [68]}光ニューロモルフィックコンピューティング、^{[69] [70]}光ファイバー温度センシング、^[71]光時間領域反射測定、^[72]イオントラップ量子ビットの読み出し、^[73]量子プラズモニクス、^{[74] [75]}単一電子検出、^[76]単一α粒子およびβ粒子検出、^[77]一重項酸素発光検出、^[78]深宇宙光通信、^{[79] [80]}暗黒物質探索^[81]および太陽系外惑星検出などがある。^[82] 世界中で、Single Quantum、Photon Spot、Scontel、Quantum Opus、ID Quantique、PhoTec、Pixel Photonicsなど、超伝導ナノワイヤをベースにした完全な単一光子検出システムの商業化に成功している企業が数多くあります。SNSPD技術の普及は、 4K以下のクライオクーラーの進歩と密接に関連しており、SNSPDは最近、小型システムで実証されました。^{[83] [84]}