本发明涉及使用了超导带状线的光子检测装置及光子检测方法。
背景技术：
确保信息安全性是网络社会的紧要技术问题，期待以量子加密通信为核心的技术。
然而，目前的安全锁生产率不足而且不实用。为了实现实用的安全锁生产率，需要光子检测器的高性能化，这是紧要的技术问题。
以往，在通信波长带(1,550nm)的光子检测中广泛应用ingaas雪崩光电二极管(apd；avalanchephotodiode)，但存在剩余脉冲的产生、暗计数多的问题。这些问题是使锁产生的误差率增大的主要原因，但在apd的工作原理上，难以避免。
此外，以往，超导带状光子检测装置(sspd；superconductingstripphotondetector)用于光子检测中(参照专利文献1、2)。sspd具有不产生剩余脉冲、暗计数相对较少的特长，作为实现量子加密通信的光子检测器有力。
然而，sspd在工作原理上，难以使高灵敏度和暗计数率两立。
将现有的sspd光子检测装置的等效电路示于图1(a)。sspd是由厚度为几纳米，宽度是几十至几百纳米的超导带状线构成的光子检测装置，正常时使偏压电流流过超导带状线而工作。当光子入射至流过了偏压电流的状态的超导带状线时，在超导带状线的宽度方向上形成有完全的正常传导区域(参照图1(a)、n)。这样，偏压电流变得不能沿顺时针方向流动，向测量系统输出电流脉冲。在sspd中，将该电流脉冲用作光子检测信号。
在此，在光子入射至超导带状线时，产生电流脉冲的概率(量子效率)，即灵敏度如图1(b)所示，依存于偏压电流的大小(参照非专利文献1)。偏压电流越大，则量子效率越高(参照左轴)，同时暗计数也增加(参照右轴)。需要注意的是，图1(b)是示出量子效率的偏压电流依存性和暗计数率的偏压电流依存性的图。
这样，在sspd光子检测装置中，使高灵敏度和低暗计数率共存是不可能的。
此外，由于将电流脉冲作为光子检测原理，因此，需要使用用于增幅图1(a)所示的电流脉冲的低噪声增幅器。低噪声增幅器有对检测系统的抖动带来不良影响的问题。
此外，作为光子检测原理的电流脉冲的下降时间τ由超导带状线的电感值l的大小而限定。电感值l与超导带状线的全长的剖面积成反比，为了使电感值l的大小变小，需要增大超导带状线的剖面积。然而，从灵敏度(量子效率)的观点出发，超导带状线的剖面积必须减小，当其较大时，光子入射时的正常传导区域的形成变得不完全，从而灵敏度降低。为此，不得不使电感值l变大。因此，电流脉冲的下降缓慢进行，下降时间τ变长，进而系统的响应时常数增大至几十毫微秒，存在只能够获得几百兆赫左右的计数率的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2005/0051726号说明书
专利文献2：日本专利申请公开第2011-176159号公报
非专利文献
非专利文献1：c.m.natarajanetal.,supercond.sci.technol.25,063001(2012)。
技术实现要素：
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于，解决现有技术中的上述各问题，提供一种具有实用性、无剩余脉冲、能够进行抑制了暗计数的光子检测、且能够获得低抖动并且高计数率的光子检测装置及光子检测方法。
用于解决技术问题的方案
作为用于解决上述技术问题的方案如下所示。即，
<1>一种光子检测装置，其特征在于，具有：光子检测部，具有板面作为光子检测面的长板状的超导带状线以及将偏压电流供给到所述超导带状线的偏压电流供给单元；以及单磁通量子比较器电路，在光子检测时，可检测出从所述超导带状线飞散的磁通。
<2>根据上述<1>所述的光子检测装置，其特征在于，所述单磁通量子比较器电路具有：约瑟夫森结布线，至少在布线内具有约瑟夫森结；以及超导布线，电连接所述约瑟夫森结布线-超导带状线之间，由所述超导带状线和所述超导布线以及所述约瑟夫森结布线构成可检测磁通的超导环。
<3>根据上述<1>或<2>所述的光子检测装置，其特征在于，偏压电流供给单元是相对于超导带状线的临界电流值，并使值为60％至85％大小的偏压电流流过所述超导带状线的单元。
<4>根据上述<1>至<3>中任一项所述的光子检测装置，其特征在于，在波导检测对象的光子的光波导上配置有超导带状线。
<5>根据上述<1>至<4>中任一项所述的光子检测装置，其特征在于，沿着光波导的光波导方向配置有多条超导带状线，并对应于各个所述超导带状线配置有多个光子检测部和单磁通量子比较器电路，进而，配置有整合从各个所述单磁通量子比较器电路输出的各个输出信号而输入的整合输入电路。
<6>根据上述<1>至<5>中任一项所述的光子检测装置，其特征在于，所述光子检测装置还具有时间数字转换器，时间数字转换器，计测参照时间信号的输入时间与伴随磁通的检出而从单磁通量子比较器电路或整合输入电路输出的输出信号的输入时间的时间差，并从所述时间差将所述输出信号转化成数字数据。
<7>一种光子检测方法，是使用上述<1>至<6>中任一项所述的光子检测装置检测光子的方法，其特征在于，通过在使偏压电流流过超导带状线的状态下，使所述光子入射到检测面，并用单磁通量子比较器电路检测通过所述光子的入射而从所述超导带状线飞散的磁通，从而检测所述光子。
<8>根据<7>所述的光子检测方法，其特征在于，相对于超导带状线的临界电流值，使值为60％至85％大小的偏压电流流过所述超导带状线。
发明效果
根据本发明，能够解决现有技术中的上述各问题，并可以提供一种具有实用性、无剩余脉冲、能够进行抑制了暗计数的光子检测、且能够获得低抖动并且高计数率的光子检测装置及光子检测方法。
附图说明
图1(a)是示出现有的sspd光子检测装置的等效电路的图。
图1(b)是示出量子效率的偏压电流依存性和暗计数率的偏压电流依存性的图。
图2是示出本发明的第一实施方式的概要的说明图。
图3(a)是示出模拟光子入射至超导带状线时的超导秩序参数的时间上的变动的结果的图。
图3(b)是示出磁通-反磁通对的解离状况的说明图。
图3(c)是示出光子入射时在超导带状线中发生的现象和偏压电流的关系的图。
图4是示出本发明的第二实施方式的概要的说明图。
图5是示出本发明的第三实施方式的概要的说明图。
具体实施方式
(光子检测装置以及光子检测方法)
<第一实施方式>
本发明的第一实施方式的概要示于图2。
光子检测装置10主要由超导带状线1、作为单磁通量子(sfq；singlefluxquantum)电路的约瑟夫森传输线路(jtl；josephsontransmissionline)电路4构成。
超导带状线1是板面作为光子检测面的长板状的部件。作为该超导带状线1，没有特别限制，可从公知的超导带状线中适当选择使用。
此外，作为超导带状线1的形状，没有特别限制，但在此，由于使从超导带状线1被排除的磁通沿与线的长度方向正交的方向排除，使由jtl电路4的磁通检测稳定化的目的，使超导带状线1的形状成为直线状的形状。但是，即使在作为直线状时，只要可由jtl电路4检测出光子入射时被排除至线外的磁通，就不影响在直线状的部位以外附加直线状以外的部位。
作为超导带状线1的线宽，没有特别限制，一般是10nm至200nm左右，厚度也没有特别限制，一般是1nm至20nm左右。
此外，作为超导带状线1的长度，没有特别限制，优选为1μm以上小于10μm，更优选为2μm至5μm。当长度小于1μm时，光子吸收率变低，当为10μm以上时，在jtl电路4的电流检测灵敏度降低。
在超导带状线1中供给有偏压电流。作为供给偏压电流的偏压电流供给单元，没有特别限制，例如可以列举经由电流源2供给适当大小的偏压电流的单元。在光子检测装置10中，由超导带状线1和上述偏压电流供给单元构成了光子检测部。
在光子检测装置10中，配置有：约瑟夫森结布线5a，构成jtl电路4的初段并且在布线内具有约瑟夫森结(在图2中，由×表示的结)；以及超导布线3，电连接约瑟夫森结布线5a和超导带状线1之间，由超导带状线1和超导布线3以及约瑟夫森结布线5a构成可检测磁通的超导环。
即，在光子检测装置10中，由超导布线3和约瑟夫森结布线5a构成sfq比较器电路。
作为超导布线3，没有特别限制，既可以采用电容器相对较小的，也可以为了易于使偏压电流流过超导带状线1而采用电容器相对较大的。此外，超导带状线1和约瑟夫森结布线5a用于构成上述超导环而由共通的接地连接。
需要注意的是，作为jtl电路4，没有特别限制，可以作为与公知的jtl电路同样的构成。此外，作为约瑟夫森结，除夹着两个超导材料中薄的绝缘膜的方式之外，还包括将超导材料的一部分加工成比其它部分细而形成的方式(弱结合)等使约瑟夫效果产生的结。
在光子检测装置10中，为了上述超导环捕获从超导带状线1飞散的磁通，例如，构成为在超导带状线1的宽度方向的延长上，与直线状的超导带状线1的长度方向平行地配置约瑟夫森结布线5a。
此外，为了避免磁通的衰减，作为约瑟夫森结布线5a，优选配置在超导带状线1的附近，作为超导带状线1和约瑟夫森结布线5a之间的距离，优选最短距离为1μm至10μm。
作为光子检测装置10的变形例，不设置超导布线3，另外构成超导带状线1和jtl电路4，也可以构成为由jtl电路4中的超导环检测从超导带状线1飞散的磁通。在该变形例中，jtl电路4构成sfq比较器电路。
然而，当上述超导环由图2所示的超导带状线1、超导布线3、约瑟夫森结布线5a构成时，包括超导布线3，排出磁通的超导带状线1和可将该磁通作为sfq脉冲检测出的约瑟夫森结布线5a等作为单片体而各部分的配置关系被固定地形成，从而可以使光子稳定地被检测出，更加实用。
此外，由于超导带状线1自身构成上述超导环，因此，容易捕获磁通，相比变形例的检测出从上述超导环外飞散的磁通的构成，能够以高检测灵敏度检测出磁通，更加实用。
此外，只要构成包含超导带状线1的上述光子检测部的布线和构成上述比较器电路(超导布线3和约瑟夫森结布线5a)的布线是相同超导材料，就能够使制造效率提高，同时能够使细微加工容易化，更加实用。
jtl电路4与sfq逻辑电路6连接。作为sfq逻辑电路6，没有特别限制，例如可以列举时间数字转换器(tdc；time-to-digitalconverter)，计测参照时间信号的输入时间和伴随磁通的检出而从sfq比较器电路(jtl电路4)输出的输出信号的输入时间的时间差，从上述时间差将上述输出信号转化成数字数据。
作为上述tdc，没有特别限制，可从公知的tdc中适当选择使用，但由于在极低温环境下工作，优选由本发明者们开发的记载于下述参考文献中的由sfq电路构成的sfq-tdc。在上述sfq-tdc中，能够在2.5皮秒以下对定时抖动进行信号处理。
通过上述tdc数字数据化的信号输送至装置外的常温环境下的器件。由于通常可进行宽带输送的电缆也是良好的导热体，因此在常温环境下输送超高速脉冲存在困难。另一方面，用于输送数字数据化的信号的电缆也可以是mhz带区传输的电缆，可以在常温下传输信号。
专利文献：k.nakamiya,t.nishigai,n.yoshikawa,a.fujimaki,h.teraiands.yorozu,"improvementoftimeresolutionofthedouble-oscillatortime-to-digitalconverterusingsfqcircuits,"physicac463,1088(2007)。
需要注意的是，由于光子检测装置10包含超导动作，因此可以容纳在未图示的冷冻器等中而使用。
-动作原理及动作方法-
接着，对光子检测装置10的动作原理及动作方法进行说明。
首先，在上述光子检测部中，当光子入射至流过了偏压电流的状态的超导带状线1的检测面时，磁通-反磁通对解离(unbinding)。磁通-反磁通对的产生认为是起因于超导秩序参数的变动。图3(a)是示出模拟光子入射至超导带状线时的超导秩序参数的时间上的变动的结果的图。如图3(a)所示，可知从入射有光子开始仅延迟5皮秒左右超导秩序参数振动。
图3(b)是示出磁通-反磁通对的解离状况的说明图。通过超导秩序参数的振动产生在超导带状线1的磁通-反磁通对通过流过超导带状线1的偏压电流受洛伦兹力而磁通-反磁通对解离，磁通-反磁通对从各自个超导带状线1中沿与偏压电流的流动方向正交的方向，即超导带状线1的宽度方向被排除，它们从超导带状线1飞散。
需要注意的是，此时，当流过超导带状线1的偏压电流足够大到临近临界电流时，在超导带状线1的宽度方向形成完全的正常传导区域。在现有技术的sspd中，通过使这样的在超导带状线1的宽度方向的完全的正常传导区域形成而输出电流脉冲，但换言之，意味着需要流过临近超导带状线1的临界电流为止的足够大的偏压电流。
图3(c)是示出光子入射时在超导带状线中发生的现象和偏压电流的关系的图。如该图3(c)所示，可知为了相对于通信波长带(1,550nm)的光子(能量约1ev)的入射，使超导带状线1的宽度方向成为完全的正常传导状态，需要相对于临界电流值流过值为90％以上的大小的偏压电流(图中，右上的区域)。
另一方面，在相对于临界电流值流过值为85％以下的偏压电流的区域(图中，中央的区域)中，超导带状线1的宽度方向没有成为完全的正常传导状态，但可以使磁通-反磁通对产生。此外，在相对于临界电流值流过值为小于60％的偏压电流的区域(图中，坐下的区域)中，不产生磁通-反磁通对。
在相对于临界电流值流过值为90％以上的偏压电流的区域中，超导秩序参数不稳定，容易产生暗计数。
在光子检测装置10中，通过相对于超导带状线1的临界电流值，在所述超导带状线1中流过值为60％至85％大小的偏压电流，能够无暗计数地检测通信波长带的光子。
再次参照图2进行说明。
从超导带状线1飞散的磁通作为单磁通量子被由超导带状线1和超导布线3以及约瑟夫森结布线5a构成的上述超导环捕获，使脉冲状的环电流在上述超导环产生。此时，当使偏压电流流过构成jtl电路4的初段并在布线内具有约瑟夫森结(图2中，由x表示的结)的约瑟夫森结布线5a时，环电流和偏压电流的和临时超过约瑟夫森结布线5a的约瑟夫森结的临界电流值，约瑟夫森结正常传导转移，在约瑟夫森结布线5a上产生sfq脉冲。
流过约瑟夫森结5a的sfq脉冲使电流在电路的右侧(输出侧)产生。当在电路的右侧(输出侧)产生的电流在使偏压电流流过构成jtl电路4的初段并在布线内具有约瑟夫森结(图2中，由x表示的结)的约瑟夫森结布线5a时，临时超过约瑟夫森结的临界电流值，约瑟夫森结正常传导转移，在约瑟夫森结布线5b上，约瑟夫森结布线5a上的sfq脉冲以被传播的方式产生。需要注意的是，产生的sfq脉冲的响应时常数即使在一般的jtl电路上也可以是几皮秒。
传播jtl电路4的sfq脉冲输出至sfq逻辑电路6，转化成数字数据，通过适当的电缆被输送至常温环境下。作为sfq逻辑电路6，只要使用上述sfq-tdc，就能够使定时抖动动为2.5皮秒以下进行信号处理。
需要注意的是，在上述的光子检测装置10中，将构成jtl电路4的初段的约瑟夫森结布线5a作为上述比较器电路的构成部件进行了说明，但jtl电路4自身是传输产生在约瑟夫森结布线5a上的sfq脉冲的单元，可以认为与上述比较器电路不同。
因此，作为另一个变形例，不具有图2中的jtl电路4，可以由除包括超导带状线1的上述光子检测部和超导布线3、约瑟夫森结布线5a之外，将偏压电流供给于约瑟夫森结布线5a的公知的偏压电流供给单元以及检测产生在约瑟夫森结布线5a上的sfq脉冲的公知的检测单元构成的比较器电路构成光子检测装置。
如上述所，(1)在光子检测装置10中，由于超导带状线1用于光子检测，因此没有apd那样的剩余脉冲。(2)此外，与sspd相比，由于可以以低偏压电流/临界电流比工作，因此可以进行抑制了暗计数产生的光子检测。(3)此外，由于超导带状线1的微弱的电流脉冲不作为光子检测原理，因此不需要使用配置于sspd的低噪声增幅器(参照图1(a))，在原理上可以实现测量系统的低抖动化。(4)进而，在sspd中，通过超导带状线1的下降时间τ由超导带状线的电感值l限定(参照图1(a))，响应时常数成为几十毫微秒，光子的计数率高达几百兆赫左右，在光子检测装置10中，计数率不受超导带状线1的电感值l的限定，响应时常数由磁通产生的时间宽度(参照图3(a))或sfq脉冲的下降时间(参照图2)来确定，均为几皮秒。这意味着与sspd相比可将计数率提高3位以上。
<第二实施方式>
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。图4是示出本发明的第二实施方式的概要的说明图。
光子检测装置50主要构成为超导带状线1a至1d、jtl电路4a至4d、整合输入电路(cb，confluencebuffer)7a至7c、sfq逻辑电路6、光波导8b、光子检测部、比较器电路在基板8a上形成单片。需要注意的是，由于详细的超导带状线1a至1d、jtl电路4a至4d、sfq逻辑电路6、上述光子检测部、上述比较器电路的各部分与光子检测装置10的超导带状线1、jtl电路4、sfq逻辑电路6、上述光子检测部、上述比较器电路相同，因此省略关于各个构成及工作的说明。
超导带状线1a至1d形成在光波导8b上。作为光波导8b，例如由公知的硅波导等构成。
光波导8b例如可通过光纤等光供给源从图中下端一侧导入光，并延箭头方向波导光。在光波导8b内所波导的光入射至超导带状线1a至1d。
当像这样构成时，例如，相比从光供给源出射光子，直接使光子入射至超导带状线1a相比，可以以高概率使光子入射至超导带状线1a。
此外，在光波导8b上，配置有被分割成4条的超导带状线1a至1d。
当代替这些超导带状线1a至1d配置一根长大的超导带状线时，在10μm左右长度下可以实现约90％的光子吸收率，每短1μm，光子吸收率降低1db。
然而，当使用这样的长大的超导带状线时，有时超导环的电流灵敏度会降低。磁通制成的环电流il的大小由下式il＝φ/l表示。式中，φ表示单磁通量子；表示2×10-15wb，l表示超导带状线的电感值。作为jtl电路的磁通检测灵敏度，il需要是一定以上的值，但当超导带状线长时，l变大。
为此，如图4所示，沿光波导8b的光波导方向配置多个长度相对较短的超导带状线(1a至1d)，使这些长度较短的超导带状线整体担任长的一根超导带状线的角色有利。
在光子检测装置50中，与各个超导带状线1a至1d对应配置有多个光子检测部(未图示)和jtl电路(jtl电路4a至4d)，进而，配置有输入有整合从各个jtl4a、4b输出的各自的输出信号而输入的cb电路7a，同样地整合从各个jtl4c、4d输出的各自的输出信号而输入的cb电路7b，进而，配置有整合从各个cb电路7a、7b输出的各自的输出信号而输入的cb电路7c。由超导带状线1a至1d，jtl电路4a至4d、cb电路7a至7c、sfq逻辑电路6以及光波导8b构成一个单片的光检测阵列9。
作为各cb电路7a至7c，可以从用于公知的sfq电路的电路构成中适当选择而构成。
需要注意的是，作为基板8a，例如，可以使用氧化硅基板等公知的基板。此外，从sfq逻辑电路6输出的数字数据通过未图示的电缆传输至常温环境下的器件。
在这样构成的光子检测装置50中，只要可由超导带状线1a至1d的至少任意吸收光子，就能够检测光子，并且能够使光子的检测效率大幅度提高。
<第三实施方式>
接下来，对本发明的第三实施方式进行说明。图5是示出本发明的第三实施方式的概要的说明图。
图5所示的光子检测装置100作为在同一个基板上配置了多个图4所示的光子检测装置50中的光子检测阵列9的单片器件而构成。除此以外，与光子检测装置50同样，因此省略说明。
根据这样的光子检测装置100，可以由各光子检测阵列9独立地检测来自独立的光纤等光供给源的光子，并可以处理来自多个信息源的通信信号。例如，作为量子纠缠量子加密通信的基本的设定，在偏光(4)×二波长多重化(2)×发送接收(2)的设定中，需要独立地处理共计16个通信信号，但只要在同一基板上将光子检测阵列9配置成16阵列，就能够应用在这样的通信领域中。
附图标记说明
1、1a至1d超导带状线；2电流源；3超导布线；4、4a至4djtl电路；5a、5b约瑟夫森结布线；6sfq逻辑电路；7a至7ccb电路；8a基板；8b光波导；9光子检测阵列；10、50、100光子检测装置。