産業技術総合研究所（産総研）の研究グループは、光子吸収によって超伝導体中に生じる磁束量子を直接観測し、その数から光子数を識別する新しい光子検出原理の実証に成功した（ニュースリリース）。
光子一つひとつを検出することは、光量子コンピューターや量子通信において重要な技術として位置付けられており、いくつかの方式が提案されている。研究用途には一部実用化されているほか、産業応用への組み込みが始まりつつある。今回実証したのは、従来の技術では実現し得なかった高い光子数識別能力と高速性の両立が期待される新たな光子検出原理だという。
光子が超伝導体に吸収されると超伝導位相の勾配が不安定化し、磁束量子対が発生する。発生した磁束量子が超伝導体を横切ると位相スリップが生じ、その結果としてジョセフソン効果による量子化電圧信号が発生する。今回の研究では、この量子化電圧信号を観測することで、光子によって生じた磁束量子の運動を直接捉えるとともに、その信号から入射した光子数を識別することに成功した。
従来の超伝導光子数識別器は、光子吸収後に熱平衡状態に到達した際の温度変化を測定していた。一方、本技術は熱ではなく、光吸収直後に発生する超伝導位相のダイナミクスを利用します。熱的な応答を待つ時間が不要なため、従来方式を超える高速な光子数識別技術につながることが期待されるという。
今回の研究により、光子吸収直後に発生する超伝導位相のダイナミクスを利用した、新しい光子数識別原理が実証された。今後は、検出効率や光子数識別精度の向上に加え、本原理の特徴である高速動作の実証と、集積化に向けたデバイス構造の最適化を進め、光量子コンピューターや量子通信で必要とされる高速・高精度な光子数識別器の実現を目指すとしている。
