超伝導光子検出器による量子制御技術の研究

超导光子探测器量子调控技术研究

基本信息

批准号：
09J05382
负责人：
藤井剛
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Nihon University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J05382/
关键词：
量子情報通信超伝導転移端センサ表面プラズモンポラリトン光子数識別器暗計数黒体輻射量子干渉ボーズ粒子超伝導転位端センサ検出効率単一光子検出器超伝導ナノワイヤ単一光子検出器量子最適受信機非ガウス状態量子効率カイネティックインダクタンス

项目摘要

光子検出器の重要な性能の一つに暗計数率がある。超伝導転移端センサ(TES)は、低雑音であることから低暗計数率が期待されていたが、実際には数100Hz程度の暗計数率が存在した。この暗計数は、室温での黒体輻射によって発生した光子が光ファイバの端面から結合、伝搬、検出されることで発生するものが主であると考えられていた。今回、TESに接続するファイバの長さ及び温度を変えて、発生する光子のエネルギースペクトルを測定した。その結果、ファイバの長さ及び温度が変わることで、光子のエネルギー及び発生率が変わることがわかった。このことから、ファイバ自身からも多くの光子が発生し、ファイバに結合していることが明らかになった。さらに、数m以上のファイバを接続した場合、端面から結合する光子に比べ、ファイバ自身で発生した光子の割合が大きいことわかった。また、発生した光子の中心エネルギーは、0.60eV以下であった。そのため、このエネルギーの光子を除去するフィルタとして、ファイバの曲げ損失を利用したフィルタを開発した。このフィルタは、信号光子に対しては0.1dB以下の損失で、ファイバ中で発生した光子に対しては13dB程度の減衰であり、低損失かつ高S/N比を実現した。さらに、このフィルタは、ファイバを直径3cmで5回程度巻いたもので、これまでのフィルタに比べ小型かつ安価に作製が可能である。TESを用いた応用実験として、単一表面プラズモンポラリトン(SPP)の量子干渉実験を世界で初めて行った。SPPは伝播損失が非常に大きいため、基本的な量子情報処理の1つである量子干渉を行うことは困難であった。本研究で開発した超伝導転移端センサを用いることで、30dBを超える挿入損失のSPPの干渉計においても、高い明瞭度でSPPの量子干渉を観測することに成功した。この量子干渉の結果は、ボーズ粒子による量子干渉の結果と一致しており、SPPがボーズ粒子であることを証明する結果ともなっている。

光子探测器的重要性能之一是暗计数率。超导过渡边缘传感器 (TES) 由于噪声低，预计具有较低的暗计数率，但实际上，存在大约数百赫兹的暗计数率。这种暗计数被认为主要是当室温下黑体辐射产生的光子从光纤端面耦合、传播和检测时产生的。这次，我们通过改变连接到 TES 的光纤的长度和温度来测量所生成光子的能谱。他们发现改变光纤的长度和温度会改变光子产生的能量和速率。这表明许多光子是由光纤本身产生并耦合到光纤中的。此外，当连接数米或更长长度的光纤时，与从端面耦合的光子相比，光纤内产生的光子比例更大。此外，产生的光子的中心能量小于0.60 eV。因此，我们开发了一种滤波器，利用光纤弯曲损耗来去除具有这种能量的光子。该滤波器对信号光子的损耗小于 0.1 dB，对光纤中产生的光子的衰减约为 13 dB，实现了低损耗和高信噪比。此外，这种过滤器是通过将直径为 3 厘米的纤维缠绕五圈制成的，使其比传统过滤器更小且制造成本更低。作为使用TES的应用实验，我们进行了世界上首次单表面等离子体激元（SPP）的量子干涉实验。由于SPP具有极大的传播损耗，因此很难进行量子干涉，而量子干涉是基本的量子信息处理技术之一。通过使用本研究开发的超导跃迁边缘传感器，即使在插入损耗超过 30 dB 的 SPP 干涉仪中，我们也成功地以高清晰度观察到了 SPP 量子干涉。这一量子干涉结果与玻色粒子的量子干涉结果一致，也证明了SPP是玻色粒子。