| Project/Area Number |
23K13381
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
知名 史博 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター, 研究員 (90912436)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 単一光子検出器 / 超伝導ナノストリップ単一光子検出器 / 超伝導量子干渉素子 / ジョセフソン接合 / 超伝導デバイス |
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| Outline of Research at the Start |
超伝導ナノストリップ単一光子検出器(SNSPD)は高効率な光子検出器であり、拡張性に優れた多素子SNSPDシステム実現のため、効率的な信号多重化方式が求められている。SNSPDは光子検出後に急峻に立ち上がり、その後数十ナノ秒に亘って減衰するという出力特性を持つが、多素子化の際は複数のSNSPDが同時に光子検出した場合にも信号が重ならず、高速かつ低電力で読み出すことのできる信号多重化方式が求められる。このような優れたSNSPD信号多重化回路を実現するため、本研究では超伝導回路を用いて、SNSPDの出力信号をごく短い時間幅のパルス信号に変換する波形整形回路を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導ナノストリップ単一光子検出器 (SNSPD) は高効率な単一光子検出器であり、量子2.0と総称される量子コンピュータ、量子センシング、量子ネットワークといった分野での応用が期待されている。このような分野での応用には高検出効率はもとより、高い読み出し速度および優れた拡張性も求められるため、独立した多数のSNSPDを高速かつ低消費電力に読み出す信号多重化方式が重要課題となる。またSNSPDの出力信号は数十ナノ秒もの時間幅を持つため、複数のSNSPDが同時に光子検出した際にも高速に信号弁別する機能も求められる。本研究ではこのようなSNSPD信号多重化回路の実現に向けて、SNSPD信号をごく短い時間幅のパルス信号に変換する波形整形回路を開発することを目的としている。
本年度は超伝導量子干渉素子 (SQUID) を用いたSNSPD波形整形回路の設計および作製に取り組んだ。微小なSNSPD信号を高感度に読み出すため、数値シミュレーションによる波形整形回路の動作解析およびパラメータ最適化を行った。また波形整形回路を基盤とした4チャンネルSNSPD多重化回路を設計した。このとき、全てのSNSPDが同時に光子を検出した場合においても、全信号を弁別しかつ高速読み出しが可能なことを数値シミュレーションにより確認した。次に最適化した回路パラメータに基づいて波形整形回路の物理レイアウトを設計し、ニオブを積層した超伝導回路プロセスにて評価用回路を試作した。試作した回路チップは液体ヘリウムを用いた測定系にて評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は数値シミュレーションによりSQUIDを用いたSNSPD波形整形回路の設計および動作解析を実施し、SNSPDの出力信号レベルに対して電流感度が十分に高いことを確認した。また小規模SNSPD多重化回路の設計および、超伝導積層プロセスによる評価回路まで実施できている。これまでに液体ヘリウムを用いた極低温測定により作製した回路チップの静特性を評価しており、良好な結果が得られている。以上から、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は作製した回路チップの極低温評価に継続して取り組む。測定結果をもとに回路パラメータの異なる波形整形回路をいくつか作製し、高速動作性や電流感度などの回路特性評価を実験的に行う。その後、SNSPDと波形整形回路をギフォード・マクマホン型冷凍機に導入し、波形整形回路の実証実験を実施する。
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