特許 7166592 超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-28

(45)【発行日】2022-11-08

(54)【発明の名称】超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 11/00 20060101AFI20221031BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20221031BHJP

   G01J 1/44 20060101ALI20221031BHJP

   H01L 39/04 20060101ALI20221031BHJP

   H01L 39/22 20060101ALI20221031BHJP

【ＦＩ】

G01J11/00

G01J1/02 R ZNM

G01J1/44 L ZAA

H01L39/04

H01L39/22 K

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018112586

(22)【出願日】2018-06-13

(65)【公開番号】P2019215253

(43)【公開日】2019-12-19

【審査請求日】2021-05-28

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 刊行物名：電子情報通信学会技術研究報告 ｖｏｌ．１１８ ｎｏ．１１ ｐｐ．１７－２２ 発行日 ：平成３０年４月１３日

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三木 茂人

(72)【発明者】

【氏名】寺井 弘高

(72)【発明者】

【氏名】宮嶋 茂之

【審査官】平田 佳規

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１５６２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０１９７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３２３１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｇ０１Ｊ １／００－ １／０２

Ｇ０１Ｊ １／４２－ １／４６

Ｇ０１Ｎ ２１／００－ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７－ ２１／７４

Ｈ０１Ｌ ２７／１４－ ２７／１４８

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

Ｈ０１Ｌ ３９／００－ ３９／２４

Ｈ０４Ｎ ５／３０－ ５／３７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の超伝導単一光子検出器と、
前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号が入力され、入力された検出信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備え、
前記信号処理回路は、
前記複数の超伝導単一光子検出器のうちの一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力された場合、前記信号入力後、その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されるまで前記一の超伝導単一光子検出器からの検出信号に対応する信号の入力を無効にする第１処理を行う第１処理回路と、
前記第１処理後の前記複数の超伝導単一光子検出器に対応する複数の有効信号を多重化する第２処理を行う第２処理回路と、を含む、超伝導単一光子検出システム。

【請求項2】

前記信号処理回路は、対応する検出信号を単一磁束量子信号に変換する複数の変換器を備え、
前記単一磁束量子信号が前記第１処理回路に入力されるよう構成される、請求項１に記載の超伝導単一光子検出システム。

【請求項3】

前記第１処理回路は、前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれに対応する複数の遅延回路を備え、
各遅延回路は、対応する前記一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されると、信号入力状態を保持し、前記その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されると、前記信号入力状態を出力するよう構成される、請求項１または２に記載の超伝導単一光子検出システム。

【請求項4】

前記信号処理回路から出力された信号の自己相関を行う自己相関器を備えた、請求項１から３の何れかに記載の超伝導単一光子検出システム。

【請求項5】

複数の超伝導単一光子検出器により、単一光子を検出し、検出された単一光子を前記超伝導単一光子検出器ごとに検出信号として出力する検出ステップと、
前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号に基づいて信号処理を行う信号処理ステップと、を含み、
前記信号処理ステップは、
前記複数の超伝導単一光子検出器のうちの一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力された場合、前記信号入力後、その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されるまで前記一の超伝導単一光子検出器からの検出信号に対応する信号の入力を無効にする第１処理を行う第１処理ステップと、
前記第１処理後の前記複数の超伝導単一光子検出器に対応する複数の有効信号を多重化する第２処理を行う第２処理ステップと、を含む、超伝導単一光子検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導単一光子検出器を用いた超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

生きている細胞内でのタンパク質の相互作用の研究等のために、細胞内での観測対象（
蛍光物質）の分子運動を測定する方法として、蛍光相関分光法（Fluorescence Correlation Spectroscopy、以下ＦＣＳ法と略する）が知られている。ＦＣＳ法は、光子検出器で検出された光子の蛍光強度から自己相関関数を得ることにより、生きている細胞内の微小な領域に存在する観測対象（蛍光物質）の蛍光強度の時間的変化を計測するものである。このような計測により、観測対象の大きさ、分子数、分子量または分子間相互作用等の情報を得ることができる。細胞内の分子の高速な運動は、蛍光強度計測から得られる自己相関関数の短い時間領域において観測される。したがって、細胞内の分子の高速な運動を調べるためには、応答速度の速い光子検出器が必要となる。

【0003】

ＦＣＳ法において今まで用いられてきた光子検出器は、主にアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと略する）である。一方、より応答速度の速い光子検出器として、超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector、以下ＳＳＰＤと略する場合がある）が存在する。ＳＳＰＤは、高感度、低雑音かつ高速動作可能な単一光子検出器として量子情報通信、量子光学など様々な分野への利用が期待されている。特に、閉サイクルの冷凍機内にＳＳＰＤを実装した超伝導単一光子検出システムは、安定的に極低温（３Ｋ程度）を実現でき、しかも連続動作が可能となるため、実用上有効なシステムであることが確認されている。

【0004】

ここで、図６はＡＰＤを用いた光子検出器およびＳＳＰＤを用いて測定した細胞の自己相関関数観測結果を示すグラフである。図６に示すように、ＡＰＤを用いた光子検出器の場合、短い時間領域（速い応答速度が要求される領域）では、細胞由来によるものではないピークＰａが得られている。このピークＰａは、検出器のアフターパルスと呼ばれる現象に由来するものであると考えられる。すなわち、図６からはＡＰＤを用いた光子検出器では、検出器由来のピークＰａが生じてしまう短い時間領域における細胞の観測はできないと言える。

【0005】

一方、ＳＳＰＤの場合、短い時間領域においても検出器由来のピーク（アフターパルス）は生じておらず、細胞由来のピークＰｃが表れている。しかし、さらに短い時間領域Ｔｍにおいて検出器の限界応答速度の影響による観測不能な時間領域が存在する。

【0006】

このような問題を解決する手段として、２つの光子検出器を用いた蛍光相関相互分光法（Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy、以下、ＦＣＣＳ法と略する）が存在する。このＦＣＣＳ法によれば、一の光子検出器の限界応答速度の影響を受けない。しかし、この方法では、２色の蛍光色素が必要となるため、システムが煩雑になること、および、２色の蛍光色素をそれぞれ検出するために全体の光量を２つに分ける必要性から各色の蛍光色素を検出するための光量が全体の光量の半分になるため、観測感度が格段に低下することという問題が生じる。

【0007】

これに代えて、一の検出器の限界応答速度の影響を抑制するために、複数のＳＳＰＤを用いて光子入射確率を分散することにより応答速度の高速化を図ることが考えられる（下記非特許文献１，２参照）。この場合、自己相関関数を得るために、複数のＳＳＰＤの検出信号を多重化（各検出信号を時間軸を合わせて結合）することが考えられる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【文献】T. Yamashita et al., "Fluorescence correlation spectroscopy with visible-wavelength superconducting nanowire single-photon detector," Opt Express, vol. 22, no. 23, pp. 28783-9, Nov 17 2014.

【文献】J. Yamamoto et al., "Rotational diffusion measurements using polarization-dependent fluorescence correlation spectroscopy based on superconducting nanowire single-photon detector," Opt Express, vol. 23, no. 25, pp. 32633-42, Dec 14 2015.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化すると以下のような問題が生じる。

【0010】

図７は複数のＳＳＰＤからの検出信号を多重化して得られた自己相関関数曲線である。図７に示すように、期間Ｔｅにおける自己相関関数の値がそれ以降に比べて一段低くなっている（自己相関曲線の非直線性が生じている）。図７は、自己相関の無い連続光源を用いて測定しているため、理想的には、自己相関関数の値が期間Ｔｅにおいても期間Ｔｅより長い時間領域と同じ直線上になっていることが好ましい。しかしながら、複数のＳＳＰＤの検出信号を多重化して得られた自己相関関数には、期間Ｔｅ（短い時間領域）において、自己相関曲線の非直線性が生じるため、期間Ｔｅの時間領域の自己相関関数曲線に特徴が現れるような観測対象の場合、先に説明したＳＳＰＤに由来する非直線性と観測対象に由来する関数曲線とのとの区別を行うことが困難となる。

【0011】

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、入射光量の低減を抑制しつつ、より短い時間領域において観測容易な自己相関関数を得ることができる超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明のある形態に係る超伝導単一光子検出システムは、複数の超伝導単一光子検出器と、前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号が入力され、入力された検出信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備え、前記信号処理回路は、前記複数の超伝導単一光子検出器のうちの一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力された場合、前記信号入力後、その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されるまで前記一の超伝導単一光子検出器からの検出信号に対応する信号の入力を無効にする第１処理を行う第１処理回路と、前記第１処理後の前記複数の超伝導単一光子検出器に対応する複数の有効信号を多重化する第２処理を行う第２処理回路と、を含んでいる。

【0013】

本発明の発明者らは、鋭意研究の末、複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化した場合に、短い時間領域において自己相関曲線の非直線性が生じるのは、ＳＳＰＤが光子を検出した後に不感時間が発生することにより、システム全体の検出効率が時間的に変化することが原因であるとの知見を得た。例えば、ｎ個のＳＳＰＤのうちの一のＳＳＰＤが光子を検出してパルスを出力すると、その後、当該ＳＳＰＤが初期状態まで回復するまでの間は、当該ＳＳＰＤにおいて光子を検出できない不感時間となる。この状態で当該ＳＳＰＤに光子が入射されてもパルスの出力が得られず、システム全体として検出効率がＳＳＰＤ１つ分減少する（（ｎ－１）／ｎとなる）。この不感時間を過ぎるとすべてのＳＳＰＤは光子を検出できるようになり、システムの検出効率は元通りになる（ｎ／ｎになる）。このように、複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化する従来の構成においては、システム全体の検出効率に時間的変化が生じ、これが不連続な自己相関曲線となる原因と考えられる。

【0014】

このような知見から、発明者らは、自己相関曲線の非直線性を排除するためには、システム全体の検出効率の時間的変化を抑制することが必要であると考えた。上記構成によれば、複数の超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）からの検出信号を多重化する第２処理を実行する前に、第１処理が行われる。すなわち、第１処理において一のＳＳＰＤにおける検出信号に対応する信号が入力された場合、当該信号入力後、その他のＳＳＰＤからの検出信号に対応する信号が入力されるまで、当該一のＳＳＰＤにおける光子の検出が無効化される。

【0015】

これにより、一のＳＳＰＤにおいて光子が検出された後は、検出効率がＳＳＰＤ１つ分減少した状態（ｎ個のＳＳＰＤにおいて検出効率が（ｎ－１）／ｎとなる状態）が継続される。このため、検出効率の時間的変化がなくなり、その後の信号を多重化して得られた自己相関関数には、短い時間領域において、検出効率の不連続性が生じることが抑制される。したがって、複数のＳＳＰＤを用いて検出効率の低減を抑制しつつ、第１処理を行うことにより、より短い時間領域において観測容易な自己相関関数を得ることができる。

【0016】

前記信号処理回路は、対応する検出信号を単一磁束量子信号に変換する複数の変換器を備え、前記単一磁束量子信号が前記第１処理回路に入力されるよう構成されてもよい。これにより、高速演算および低消費電力を実現することができる。また、ＳＳＰＤとともに冷凍機内に配置することができ、システムの省スペース化を図ることができる。

【0017】

前記第１処理回路は、前記複数の超伝導単一光子検出器のそれぞれに対応する複数の遅延回路を備え、各遅延回路は、対応する前記一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されると、信号入力状態を保持し、前記その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されると、前記信号入力状態を出力するよう構成されてもよい。これにより、簡単な構成および既存の回路素子を用いて、第１処理を実行する回路を容易に実現することができる。

【0018】

前記信号処理回路から出力された信号の自己相関を行う自己相関器を備えてもよい。これによれば、応答速度が速く検出効率の不連続性がないＳＳＰＤシステムに自己相関器が設けられることにより、自己相関器により得られる自己相関関数の短い時間領域において観測対象の適切な観測を行うことができる。

【0019】

本発明の他の形態に係る超伝導単一光子検出方法は、複数の超伝導単一光子検出器により、単一光子を検出し、検出された単一光子を前記超伝導単一光子検出器ごとに検出信号として出力する検出ステップと、前記複数の超伝導単一光子検出器からそれぞれ出力される検出信号に基づいて信号処理を行う信号処理ステップと、を含み、前記信号処理ステップは、前記複数の超伝導単一光子検出器のうちの一の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力された場合、前記信号入力後、その他の超伝導単一光子検出器における検出信号に対応する信号が入力されるまで前記一の超伝導単一光子検出器からの検出信号に対応する信号の入力を無効にする第１処理を行う第１処理ステップと、前記第１処理後の前記複数の超伝導単一光子検出器に対応する複数の有効信号を多重化する第２処理を行う第２処理ステップと、を含んでいる。

【発明の効果】

【0020】

本発明は以上に説明したように構成され、入射光量の低減を抑制しつつ、より短い時間領域において観測容易な自己相関関数を得ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は本発明の一実施の形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。

【図2】図２は図１に示す超伝導単一光子検出システムにおける信号多重化回路の概略構成を示す回路図である。

【図3】図３は本実施の形態における光子の検出態様と出力信号ＯＵＴおよび検出効率との関係を模式的に示す図である。

【図4】図４は本実施の形態の実施例において得られた自己相関関数を比較例とともに示すグラフである。

【図5】図５は複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化した比較例における光子の検出態様と出力信号ＯＵＴおよび検出効率との関係を模式的に示す図である。

【図6】図６はＡＰＤを用いた光子検出器およびＳＳＰＤを用いて測定した細胞の自己相関関数観測結果を示すグラフである。

【図7】図７は複数のＳＳＰＤからの検出信号を多重化して得られた自己相関関数を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

【0023】

まず、本発明の一実施の形態に係る超伝導単一光子検出システムについて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る超伝導単一光子検出システムの概略構成例を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態における超伝導単一光子検出システム１は、バイアス電流によって動作する複数（４つ）の超伝導単一光子検出器（以下、ＳＳＰＤ）２１～２４で構成される超伝導単一光子検出器アレイ（ＳＳＰＤアレイ）２０と、超伝導単一光子検出器２１～２４から出力される検出信号が入力され、入力された検出信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路３０とを備えている。

【0024】

信号処理回路３０は、各検出信号を単一磁束量子信号に変換する複数の変換器３１～３４と、当該単一磁束量子信号を多重化するための第１処理および第２処理を行う信号多重化回路３８とを備えた、超伝導単一磁束量子回路（以下、超伝導ＳＦＱ回路）として構成されている。

【0025】

各ＳＳＰＤ２１～２４と信号処理回路３０の各変換器３１～３４との間はＳＳＰＤに対応する数の信号伝送経路（交流の高周波信号伝送経路）によって接続されている。具体的には、各ＳＳＰＤ２１～２４には、ＳＳＰＤチップ２に設けられた同軸線路（ＳＳＰＤ同軸線路）２４１～２４４が接続されている。また、信号処理回路３０の各変換器３１～３４には、ＳＦＱチップ３に設けられた同軸線路（ＳＦＱ同軸線路）３４１～３４４が接続されている。同軸線路２４１～２４４，３４１～３４４は、各チップ２，３上に形成されたマイクロストリップラインである。そして、ＳＳＰＤ同軸線路２４１～２４４とＳＦＱ同軸線路３４１～３４４との間には、同軸ケーブル４１～４４が接続されている。すなわち、信号伝送経路は、チップ２，３に設けられた同軸線路２４１～２４４，３４１～３４４および同軸ケーブル４１～４４を含む概念である。

【0026】

なお、本実施の形態においては、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを別のチップとし、両者を同軸ケーブル４１～４４で繋ぐこととしているが、ＳＳＰＤチップ２とＳＦＱチップ３とを１つのチップとして構成し、ＳＳＰＤ２１～２４と信号処理回路３０の変換器３１～３４との間をマイクロストリップラインのみで接続することとしてもよい。

【0027】

各ＳＳＰＤ２１～２４には、バイアス電流経路（直流経路）５１～５４が接続されている。バイアス電流経路５１～５４には、抵抗素子８１～８４を介してバイアス電流源７１～７４が接続されている。具体的には、バイアス電流源７１～７４から抵抗素子８１～８４に印加される電圧によって定められるバイアス電流が各ＳＳＰＤ２１～２４に供給される。なお、バイアス電流経路５１～５４の態様はこれに限られず、例えばバイアス電流経路５１～５４が、同軸線路２４１～２４４または３４１～３４４に接続される態様等、各ＳＳＰＤ２１～２４にバイアス電流を供給可能な種々の態様が適用可能である。

【0028】

ＳＳＰＤチップ２およびＳＦＱチップ３は、冷凍機５内に実装されている。すなわち、ＳＳＰＤアレイ２０、超伝導ＳＦＱ回路である信号処理回路３０、および、同軸ケーブル４１～４４は、冷凍機５内に実装されている。冷凍機５は、例えば小型のＧＭ（Gifford-McMahon）冷凍機などが好適に用いられる。

【0029】

ＳＳＰＤ２１～２４は、それぞれ、単一光子を検出する超伝導ナノワイヤ検出素子（図示せず）を備えている。超伝導ナノワイヤ検出素子は、シリコン(Si)基板など様々な基板の表面に窒化ニオブ、窒化ニオブチタン、タングステンシリコン、モリブデンシリコンなど様々な材料による超伝導薄膜がナノワイヤ形状に形成されている。例えば、数十～数百ナノメートルの線幅に形成され、冷凍機５を用いて冷却され、超伝導状態で使用される。超伝導ナノワイヤ検出素子を含む受光面の受光面積は、ＳＳＰＤ２１～２４の使用目的やＳＳＰＤアレイ２０を構成するＳＳＰＤの数によって適宜定められる。

【0030】

本実施の形態において、ＳＳＰＤアレイ２０は、ＳＳＰＤチップ２上に、複数（４つ）のＳＳＰＤ２１～２４が設けられている。超伝導単一光子検出システム１は、ＳＳＰＤアレイ２０に向けて所定の光（フォトン）を入射可能な光入力ポート４を備えている。光入力ポート４から入射された光は、直接的または間接的（例えば光ファイバを通じて）にＳＳＰＤアレイ２０に入射される。したがって、光入力ポート４からの入射光を複数のSSPD２１～２４に等確率で入射することができる。なお、これに代えて、複数のＳＳＰＤ２１～２４が異なるチップ上に形成され、各ＳＳＰＤ２１～２４のチップに対応する複数の光入力ポート４が設けられ、超伝導単一光子検出システム１に入射される入射光を各複数の入力ポート４に分岐させることにより、各ＳＳＰＤ２１～２４に入射光を等確率で入射する構成としてもよい。

【0031】

超伝導ＳＦＱ回路である信号処理回路３０は、ＳＦＱチップ３上に設けられている。具体的には、信号処理回路３０は、各ＳＳＰＤ２１～２４に対応して設けられ、ＳＳＰＤ２１～２４から出力される検出信号をＳＦＱパルス信号（単一磁束量子信号）にそれぞれ変換する変換器（ＭＣ－ＤＣ／ＦＳＱコンバータ：Mutual Coupling-DC/FSQ Converter）３１～３４と、変換器３１～３４で変換されたＳＦＱパルス信号を多重化する信号多重化回路３８と、微弱なＳＦＱパルス信号を観測可能なパルス信号に変換する出力変換回路３５と、出力変換回路３５から出力される電圧パルスのパルス幅を長くして出力信号を生成するＳＱＵＩＤドライバ３６とを備えている。各変換器３１～３４、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６には、個別の電流源６から電流が供給され、各回路はこれらの電流によって駆動する。

【0032】

変換器３１～３４は、ＳＳＰＤ２１～２４から出力された検出信号を単一磁束量子に変換して出力するよう構成されている。具体的には、信号伝送経路および負荷抵抗素子（図示せず）に直列接続された一次コイルと、当該一次コイルと相互誘導可能に配置された二次コイルとを備えている（図示せず）。二次コイルには一対のジョセフソン接合が接続されており、一対のジョセフソン接合が超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を構成している。

【0033】

ＳＳＰＤ２１～２４から出力された検出信号は、一次コイルから二次コイルへと相互誘導し、単一磁束に変換される。ＳＱＵＩＤは、検出信号が伝達されることによりＳＱＵＩＤに磁束が生じると、ＳＦＱが回路内を伝搬し、所定のパルス幅および電圧強度を有するＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ４を出力する。変換器３１～３４から出力されたＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ４は、信号多重化回路３８に入力される。

【0034】

このように、信号処理回路３０として超伝導ＳＦＱ回路を備えることにより、高速演算および低消費電力を実現することができる。また、信号処理回路３０をＳＳＰＤ２１～２４とともに冷凍機５内に配置することができ、システムの省スペース化を図ることができる。

【0035】

信号多重化回路３８は、後述するように、変換器３１～３４の４出力から入力されたＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ４を多重化するための第１処理および第２処理を実行し、出力ポート（本実施形態においては１つの出力ポート）から多重化されたＳＦＱパルス信号（後述する出力信号ＯＵＴ）を出力する論理回路となっている。信号多重化回路３８から出力されたＳＦＱパルス信号は、非常に微弱である（短いパルス幅および小さい電圧レベルを有している）ため、後段の構成で利用可能な信号として出力するために、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６により、整形（パルス幅および電圧レベルの増幅）される。例えばパルス幅４～５ｐｓおよび電圧レベル０．４～０．５ｍＶ程度（ピーク値）のＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ４を１ｎｓ程度のパルス幅および２ｍＶ程度の電圧レベル（ピーク値）に増幅する。ＳＱＵＩＤドライバ３６から出力された出力信号は、同軸ケーブル３７を介して冷凍機５外に出力される。

【0036】

信号処理回路３０は、同軸ケーブル３７を介して自己相関器１０に接続されており、出力信号を自己相関器１０に入力する。自己相関器１０は、信号処理回路３０から出力された信号の自己相関を行う。

【0037】

図２は図１に示す超伝導単一光子検出システムにおける信号多重化回路の概略構成を示す回路図である。本実施の形態において、信号処理回路３０の信号多重化回路３８は、第１処理回路１１および第２処理回路１２を含んでいる。

【0038】

第１処理回路１１は、複数のＳＳＰＤ２１～２４のうちの一のＳＳＰＤ２ｘ（ｘ＝１～４）における検出信号に対応する信号（ＳＦＱパルス信号Ｓｘ）が入力された場合、この信号入力後、その他のＳＳＰＤ２ｙ（ｙ≠ｘ）における検出信号に対応する信号（ＳＦＱパルス信号Ｓｙ）が入力されるまで、一のＳＳＰＤからのＳＦＱパルス信号の入力を無効にする第１処理を行うように構成されている。

【0039】

本実施の形態において、第１処理回路１１は、複数のＳＳＰＤ２１～２４のそれぞれに対応する複数（４つ）の遅延回路１１１～１１４を備えている。各遅延回路１１ｘは、対応するＳＦＱパルス信号Ｓｘが入力されると、信号入力状態を保持し、その他のＳＦＱパルス信号Ｓｙが入力されると、信号入力状態を出力するよう構成されている。

【0040】

例えば、図２に示すように、各遅延回路１１１～１１４は、Ｄフリップフロップ（Ｄ－ＦＦ）により構成される。遅延回路１１１の入力端子ｄｉｎには、ＳＳＰＤ２１の検出信号に対応するＳＦＱパルス信号Ｓ１が入力され、遅延回路１１２の入力端子ｄｉｎには、ＳＳＰＤ２２の検出信号に対応するＳＦＱパルス信号Ｓ２が入力され、遅延回路１１３の入力端子ｄｉｎには、ＳＳＰＤ２３の検出信号に対応するＳＦＱパルス信号Ｓ３が入力され、遅延回路１１４の入力端子ｄｉｎには、ＳＳＰＤ２４の検出信号に対応するＳＦＱパルス信号Ｓ４が入力されるように構成されている。

【0041】

さらに、遅延回路１１１のクロック入力端子ｃｌｋには、ＳＦＱパルス信号Ｓ１以外のＳＦＱパルス信号Ｓ２～Ｓ４が入力され、遅延回路１１２のクロック入力端子ｃｌｋには、ＳＦＱパルス信号Ｓ２以外のＳＦＱパルス信号Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４が入力され、遅延回路１１３のクロック入力端子ｃｌｋには、ＳＦＱパルス信号Ｓ３以外のＳＦＱパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４が入力され、遅延回路１１４のクロック入力端子ｃｌｋには、ＳＦＱパルス信号Ｓ４以外のＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ３が入力されるように構成されている。

【0042】

第２処理回路１２は、第１処理後の複数のＳＳＰＤ２１～２４に対応する複数の有効信号を多重化する第２処理を行うように構成されている。より詳しくは、第２処理回路１２は、各遅延回路１１１～１１４の出力端子ｄｏｕｔから出力される複数の有効信号が入力され、これらの有効信号を多重化して出力信号ＯＵＴを出力するように構成されている。

【0043】

図３は本実施の形態における光子の検出態様と出力信号ＯＵＴおよび検出効率との関係を模式的に示す図である。

【0044】

例えば、ＳＳＰＤ２１において光子が検出された場合、ＳＦＱパルス信号Ｓ１が遅延回路１１１の入力端子ｄｉｎに入力される。この場合、遅延回路１１１は、信号入力状態が保持される。例えば、遅延回路１１１の内部値を０から１に変えてその値を保持する。このとき、他の遅延回路１１２～１１４のクロック入力端子ｃｌｋにＳＦＱパルス信号Ｓ１が入力されるが、当該遅延回路１１２～１１４の内部値が０であれば、遅延回路１１２～１１４の出力端子ｄｏｕｔから出力される値は０のままである。また、遅延回路１１１の出力端子ｄｏｕｔからは値が出力されない。

【0045】

その後、別のＳＳＰＤ２３において光子が検出された場合、ＳＦＱパルス信号Ｓ３が対応する遅延回路１１３の入力端子ｄｉｎに入力されるとともに、その他の遅延回路１１１，１１２，１１４のクロック入力端子ｃｌｋに入力される。このとき、遅延回路１１１の内部値が１であるため、遅延回路１１１の出力端子ｄｏｕｔから内部値１が出力される。また、遅延回路１１３の出力端子ｄｏｕｔからは値が出力されないが、その内部値は０から１に変化し、その値が保持される。

【0046】

このようにして、一の遅延回路１１ｘ（ｘ＝１～４）に、対応するＳＦＱパルス信号Ｓｘが入力端子ｄｉｎに入力された後、その他の何れかの遅延回路１１ｙ（ｙ≠ｘ）に対応するＳＦＱパルス信号Ｓｙがクロック入力端子ｃｌｋに入力された場合に、遅延回路１１ｘに入力されたＳＦＱパルス信号Ｓｘに対応する値が出力端子ｄｏｕｔから出力される。

【0047】

したがって、内部値が１である遅延回路１１ｘの入力端子ｄｉｎに、再度対応するＳＦＱパルス信号Ｓｘが入力されても、内部値は変化せず、また、出力端子ｄｏｕｔからの信号が出力されない状態が維持される。例えば、図３においてＳＳＰＤ２２が光子を検出し、対応するＳＦＱパルス信号Ｓ２が遅延回路１１２に入力されたことにより、ＳＦＱパルス信号Ｓ２の入力が無効となる無効期間Ｔｉ（後述）に移行している。このため、ＳＦＱパルス信号Ｓ２が連続で入力された場合（同じＳＳＰＤ２２が連続で光子を検出した場合）であっても、最初のＳＦＱパルス信号Ｓ２のみが有効な信号として扱われている。

【0048】

これにより、一の遅延回路１１ｘの入力端子ｄｉｎに一のＳＦＱパルス信号Ｓｘが入力されてから、当該遅延回路１１ｘのクロック入力端子ｃｌｋに他のＳＦＱパルス信号Ｓｙが入力されるまでの期間において、その遅延回路１１ｘの入力端子ｄｉｎへのＳＦＱパルス信号Ｓｘの入力が無効となる。図３において、ＳＦＱパルス信号Ｓｘの入力が無効となる無効期間をＴｉ、入力が有効となる有効期間をＴｖとして示している。

【0049】

各遅延回路１１１～１１４の出力端子ｄｏｕｔから出力される有効信号は、第２処理回路１２により多重化される。第２処理回路１２は、多重化した有効信号を出力信号ＯＵＴとして出力する。なお、図３において示す出力信号ＯＵＴは、便宜上、各ＳＳＰＤ２１～２４への光子の入射タイミングと時間軸を合せて表示している。しかし、上述の通り、遅延回路１１１～１１４による第１処理により、出力信号ＯＵＴにおけるパルスの出力タイミングは、実際には、対応する遅延回路１１ｘの無効期間Ｔｉの終了時点（他のＳＦＱパルス信号Ｓｙが入力された時点）となる。

【0050】

上記構成により、複数のＳＳＰＤ２１～２４の何れか（ＳＳＰＤ２ｘ）において光子を検出した後（一の遅延回路１１ｘの内部値が１となった後）において、検出動作したＳＳＰＤ２ｘを除く３つのＳＳＰＤで光子の検出が有効となる。すなわち、検出効率（全てのＳＳＰＤ２１～２４の全面積に対して光子の検出が有効となる面積）が３／４で一定となる。これを一般化すると、ｎ個のＳＳＰＤを備えたシステムにおいて、検出効率が（ｎ－１）／ｎで一定となる。

【0051】

これに対し、従来のように複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化した場合には、検出効率が一定とはならない。図５は複数のＳＳＰＤの検出信号を単純に多重化した比較例における光子の検出態様と出力信号ＯＵＴおよび検出効率との関係を模式的に示す図である。図５に示す比較例においてもＳＳＰＤの数（４つ）は本実施の形態と同じである。一方、比較例においては本実施の形態の信号多重化回路３８における第１処理回路１１が存在しない。すなわち、ＳＦＱパルス信号Ｓ１～Ｓ４が信号多重化回路に入力されると、それがそのまま多重化される（本実施の形態における第２処理のみを行う）。

【0052】

このような比較例においては、ＳＳＰＤ２１～２４で光子の検出可否に関して信号多重化回路による制約はない。ただし、ＳＳＰＤ２１～２４が光子を検出してパルスを出力した場合、その後、当該ＳＳＰＤが初期状態まで回復するまでの間は、当該ＳＳＰＤにおいて光子を検出できない不感時間Ｔｄとなる。不感時間ＴｄにおけるＳＳＰＤに光子が入射されても出力信号が得られず、システム全体として検出効率がＳＳＰＤ１つ分減少する。このため、当該不感時間ＴｄにおいてはＳＳＰＤ２１～２４に起因する光子の検出の無効期間が物理的に生じる。

【0053】

この結果、一のＳＳＰＤ２ｘが光子を検出した後、当該ＳＳＰＤ２ｘの不感時間Ｔｄが終了するまでの間は、本実施の形態と同様、検出効率が３／４となる。ところが、不感時間Ｔｄの終了後、ＳＳＰＤ２１～２４の何れかが光子を検出するまでの間は、すべてのＳＳＰＤは光子を検出できるようになり、システムの検出効率は元通りになる。すなわち、検出効率が４／４に変化する。これを一般化すると、ｎ個のＳＳＰＤを備えたシステムにおいて検出効率が（ｎ－１）／ｎになる期間とｎ／ｎになる期間とが存在する。このように、比較例においては、システム全体の検出効率が時間的に変化する。

【0054】

本発明の発明者らは、鋭意研究の末、複数のＳＳＰＤ２１～２４の検出信号を単純に多重化した場合に、図７に示すような、短い時間領域において自己相関曲線の非直線性が生じるのは、ＳＳＰＤ２１～２４が光子を検出した後に不感時間Ｔｄが発生することにより、システム全体の検出効率が時間的に変化することが原因であるとの知見を得た。

【0055】

このような知見から、発明者らは、自己相関曲線の非直線性を除去するためには、システム全体の検出効率の時間的変化を抑制することが必要であると考えた。ここで、ＳＳＰＤ２１～２４において光子を検出した後の不感時間Ｔｄ自体はなくすことができない（図３に示すように、本実施の形態においても不感時間Ｔｄは存在する）。したがって、不感時間Ｔｄの存在によってシステム全体の検出効率の時間的変化が生じるのを抑制するために、複数のＳＳＰＤ２１～２４からの検出信号を多重化する第２処理を実行する前に、第１処理が行われる。すなわち、一のＳＳＰＤ２ｘにおける検出信号に対応する信号（ＳＦＱパルス信号）Ｓｘが入力された場合、当該信号Ｓｘの入力後、不感時間Ｔｄの経過後であっても、その他のＳＳＰＤ２ｙからの検出信号に対応する信号Ｓｙが入力されるまで、当該一のＳＳＰＤ２ｘにおける光子の検出が無効化される。

【0056】

これにより、一のＳＳＰＤ２ｘにおいて光子が検出された後は、検出効率がＳＳＰＤ１つ分減少した状態（ｎ個のＳＳＰＤにおいて検出効率が（ｎ－１）／ｎとなる状態）が継続される。このため、検出効率の時間的変化がなくなり、その後の信号を多重化して得られた自己相関関数には、短い時間領域において、自己相関曲線の非直線性が生じることが防止される。したがって、複数のＳＳＰＤ２１～２４を用いて光子を検出することにより、入射光量の低減を抑制しつつ、第１処理を行うことにより、より短い時間領域において観測容易な自己相関関数を得ることができる。

【0057】

図４は本実施の形態の実施例において得られた自己相関関数を比較例とともに示すグラフである。比較例のグラフは、図７と同じグラフである。なお、実施例においては図１に示す構成とほぼ同様の構成を用いて実際にＳＳＰＤに光を照射することにより測定を行った。なお、図１の実施例においては３つのＳＳＰＤ（ｎ＝３）を用いて測定した。また、比較例においては２つのＳＳＰＤ（ｎ＝２）を用いて測定した。本実施例および比較例の測定においては、自己相関性のない連続光源を用いて行った。すなわち、これにより得られた自己相関関数曲線は、検出器および自己相関器の特性に起因するもののみを観測することができる。

【0058】

上述したように、比較例においては約０．３μｓより短い時間領域において、自己相関関数が急激に減少しており、自己相関関数曲線の非直線性が見られる。一方、実施例においては、比較例においてみられた非直線性は０．３μｓ付近に見られず、より短い時間領域においてまで直線性の良い自己相関関数曲線が得られた。これにより、本システムを用いて観測対象を観測した際に、より短い時間領域において観測対象を観測可能になる。

【0059】

また、本実施の形態によれば、ＦＣＣＳ法のように２色の蛍光色素を準備する必要がなくなる。なお、本実施の形態によれば複数のＳＳＰＤ２１～２４を最大限生かして検出することができない（検出効率が（ｎ－１）／ｎ＜１となる）が、ＳＳＰＤの数を増やすことにより、検出効率の低減を抑えることができる。例えばｎ＝４であれば、検出効率は３／４＝７５％であるが、ｎ＝１０であれば、検出効率は９／１０＝９０％となり、ＳＳＰＤの数が増えるほど検出効率の低減を抑制できる。

【0060】

また、本実施の形態によれば、上記のような検出効率の時間的変化を防止するための第１処理を実現する回路構成がＳＳＰＤ２１～２４に対応する数の遅延回路１１１～１１４を用いて実現される。これにより、簡単な構成および既存の回路素子を用いて、第１処理を実行する回路を容易に実現することができる。

【0061】

以上のような応答速度が速く検出効率の不連続性がないＳＳＰＤシステム１において生成される出力信号ＯＵＴが自己相関器１０に入力されることにより、自己相関器１０により得られる自己相関関数の短い時間領域においてＦＣＳ法等による適切な観測を行うことができる。

【0062】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

【0063】

例えば、上記実施形態においては、４つのＳＳＰＤ２１～２４が１つのチップに形成されたＳＳＰＤアレイ２０に基づいて説明したが、ＳＳＰＤが２つ以上設けられる構成である限り、本発明はこれに限られない。

【0064】

また、ＳＳＰＤアレイ２０を構成する複数のＳＳＰＤは、１つの受光面をどのように区画したものであってもよい。例えば、上記実施形態のように、正方形状のＳＳＰＤを縦および横に（マトリクス状に）配置してもよいし、長方形状のＳＳＰＤを縦または横方向にのみ配置してもよいし、その他の形状（三角形など）を有するＳＳＰＤを幾何学的に配置することとしてもよい。

【0065】

また、ＳＳＰＤアレイ２０を構成する複数のＳＳＰＤは、複数のチップ上に形成されてもよい。信号処理回路３０の構成は、上記実施形態において説明した構成に限定されず、図３に示されるような信号処理が実現できる回路であればよく、本発明の超伝導単一光子検出システムが適用される装置またはシステム等に応じて種々の改良、変更、修正が行われた構成が適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明は、入射光量の低減を抑制しつつ、より短い時間領域において観測容易な自己相関関数を得るために有用である。特に、ＦＣＳ法を用いた細胞の観測または深宇宙通信技術への適用等の高速動作が求められるアプリケーションのために有用である。

【符号の説明】

【0067】

１ 超伝導単一光子検出システム
１０ 自己相関器
１１ 第１処理回路
１２ 第２処理回路
２１～２４ ＳＳＰＤ（超伝導単一光子検出器）
３０ 信号処理回路（超伝導ＳＦＱ回路）
３１～３４ 変換器
１１１～１１４ 遅延回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】