2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of new imaging technology based on superconducting single-photon camera
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18H05245
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
寺井 弘高 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 上席研究員 (10359094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00358293)
竹内 尚輝 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472)
清水 亮介 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (50500401)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導単一光子検出器 / 超伝導単一磁束量子論理回路 / 断熱型磁束量子パラメトロン / モノリシック集積化 / 分光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は、行列読み出し方式による4x4ピクセルSSPDアレイの作製・評価を行い、2x4の出力ポートすべてから正しい信号出力を確認すると同時に、2x4チャンネルのイベント駆動型SFQエンコーダ回路と接続して、位置情報・時間情報を含むディジタルコードとして、80 ps以下の時間精度で読み出すことに成功した。令和1年度は、2x32入力エンコーダ回路について、0.1 W GM冷凍機中で正常動作を確認することができた。また、32x32ピクセルSSPDアレイの作製・評価を行い、中央5x5ピクセルの正常動作を確認するとともに、出力電流量としてSFQ回路で十分検出可能な14uAを得ることができた。また、先行して取り組んでいた64ピクセルSSPDアレイについては、64入力のイベント駆動型SFQエンコーダ回路と接続して、60 ps程度の時間精度での信号読み出しとイメージング素子としての動作実証に成功した。SSPDアレイとSFQ回路のモノリシック集積化にも着手し、8x8ピクセルSSPDアレイの設計が完了し、試作に着手した。
AQFP信号処理回路については、4ピクセルSSPDアレイ読み出し用AQFP/SFQハイブリッド回路を設計・作製、4ピクセルSSPDアレイとともに0.1W GM冷凍機に実装し接続試験を行い、ピコ秒オーダーの時間情報を有するSFQ出力とAQFP回路によりディジタルコードにエンコードされた出力を正しく読み出すことに成功した。また、通常のSFQ読出回路の電流感度よりも2倍程度優れた約5uAの入力電流感度を得た。SSPDアレイの応用が期待される光子分光計測技術については、SSPDを用いた量子的なフーリエ操作により量子もつれ光子のスペクトル操作の原理検証実験に成功した。SSPDアレイによる周波数自由度を利用した量子情報技術の高機能化実現への見通しが得られた。
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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
行列読み出し方式の4x4ピクセルSSPDアレイとイベント駆動型SFQエンコーダ回路を組み合わせてディジタルコードとして信号を読み出すことに成功し、我々が提案する大規模SSPDアレイの実現に向けたアプローチの有効性を実証することができた。また、行列読み出し方式ではないが64ピクセルSSPDアレイを0.1W GM冷凍機で完全動作させることに成功し、この64入力イベント駆動型SFQエンコーダ回路とほぼ同じ規模の回路の2x32入力SFQイベント駆動エンコーダ回路の0.1 W GM冷凍機での動作を実証した。また、32x32ピクセルSSPDアレイについても中央5x5ピクセルではあるが正常動作を確認し、出力電流としてもSFQエンコーダで十分検出可能な14uAが得られた。32x32ピクセルSSPDアレイの動作実証に向けた要素技術開発は着実に進展していると考えている。
また、バイアス電流の抜本的な削減を可能なAQFP回路については、すでにSSPDと接続して信号読み出しに成功しているが、平成30年度には信号読み出しの時間精度を確保するためにSFQ回路とハイブリッド化した方式を提案・設計し、実際に4ピクセルSSPDアレイと接続して動作実証することに成功し、令和1年度にはこのハイブリッド回路が5uAという非常に高い入力電流感度を有することも確認できた。AQFP信号処理は、最終的に10,000ピクセル規模のSSPDアレイ実現に向けた重要な要素技術であり、SFQ回路とハイブリッドで動作したことは大きな進展と考えている。また、空間光入力についても外部光入力が可能な冷凍機システムでサンプルステージ温度が3 K以下まで冷却できることを確認しており、光子分光システムの構築に向けた準備は整っていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
32x32ピクセルSSPDアレイのできるだけ早期の動作実証を目標に、令和1年度に導入したウェハ有機洗浄装置、誘電体堆積装置をできるだけ早期に立ち上げ、SSPDアレイの作製プロセスに活用していく予定である。ディジタル信号処理回路については、すでに2x32入力SFQエンコーダの0.1 W GM冷凍機中での動作に成功しているが、より動作の安定性、信頼性を高めるため、極低温環境下への安定した直流バイアス電流供給を可能とすべく、コネクタを含めたチップパッケージの見直しを進めていきたい。モノリシック集積化については、すでに作製に着手している8x8ピクセルSSPDアレイの評価を通じて課題抽出を行い、令和2年度中に32x32ピクセルSSPDアレイの設計・試作に着手する予定である。また、これまでに4ピクセル用読み出し回路の動作実証に成功しているSFQ/AQFPハイブリッド読み出し回路については、さらなる規模拡大を進めると同時に、最終的な到達目標である100 x 100ピクセル（200入力チャンネル）に向けた拡張性について、主に消費電力（供給バイアス電流）や回路面積に焦点を当てた検討を行っていきたい。空間光入力については、令和1年度までに構築した窓付き冷凍機システムをベースとした光子分光システムを検討していく予定である。
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