2020 Fiscal Year Annual Research Report

超広帯域量子もつれ光子対と超伝導転移端センサによる単一光子単一画素イメージング

Research Project

Project/Area Number	19H02633
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	井上修一郎日本大学, 理工学部, 教授 (30307798)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	行方直人日本大学, 理工学部, 准教授 (20453912) 福田大治国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (90312991)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	伝令付き単一光子 / 単一画素イメージング / 圧縮センシング / 単一光子検出
Outline of Annual Research Achievements	本年度は、長さ 30 mm の周期分極反転ニオブ酸リチュウム導波路（PPLN-WG）を波長 777 nm、パルス幅 ~ 30 ps、繰り返し周波数 1 GHz の光パルスでポンプすることで自然パラメトリック下方変換により波長 1554 nm の光子対を発生させた。この光子対を 50/50 ビームスプリッターで分離し、片方の光子を超伝導ナノ細線単一光子検出器（SSPD）で検出し、その検出信号をトリガー信号として空間結合型 InGaAs/InP 単一光子雪崩フォトダイオード (SPAPD）を動作させ、単一画素イメージング光学系を通過したもう一方の光子（伝令付き単一光子）を検出することで同時計数率を測定した。このとき、同時計数率は 36 Hzであった。次に、この伝令付き単一光子を光源、空間結合型 InGaAs/InP SPAPD を単一画素とした単一光子単一画素イメージング実験を行った。通常の単一画素イメージングでは、観察対象を透過または反射した光を Digital Micromirror Device （DMD）でサンプリングして画像再構築を行うが、本年度は観測対象のデジタル画像と DMD のサンプリングパターンとの AND 演算の結果を DMD に表示することで擬似的に観察対象のサンプリングを行った。DMD のサンプリングパターンとしては Random Hadamard 行列と Russian Dolls を使用した。総画素数は 64×64 = 4096 である。１つの DMD パターンに対して 5 秒間伝令付き単一光子を照射した場合、DMD パターンとして Russian Dolls を使用すると、圧縮率約10 % (DMDパターン数 = 400）で良好な画像を再構築することができた。これは、72000 個の光子検出で 4096 ピクセルの画像が得られたことになる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では、単一光子を光源、単一光子検出器を単一画素とした単一画素イメージングの実証がメインテーマである。本年度は、伝令付き単一光子源を開発し、これを光源として単一画素イメージングの実証実験に成功した。この伝令付き単一光子源の帯域を拡張し、単一光子検出器として光子の波長測定が可能な超伝導転移端センサを導入することにより、最終目標である単一光子単一画素分光イメージングを実現することができる。
Strategy for Future Research Activity	本年度は波長 1550 nm の伝令付き単一光子源を光源、InGaAs/InP 単一光子雪崩フォトダイオード（SPAPD）を空間結合型単一光子検出器として単一光子単一画素イメージングシステムを構築した。今後は、伝令付き単一光子源の広帯域化及び超伝導転移端センサによる単一光子の波長測定を導入することにより、本研究の最終目標である単一光子単一画素分光イメージングシステムを構築する。伝令付き単一光子源の広帯域化に関しては、PPKTP を中心波長 370 nm、パルス幅 100 fs の光パルスでポンプすることにより、非縮退の位相整合条件下で可視領域と赤外領域に波長をもつ光子対を発生させる。この光子対をダイクロイックミラーで分離し、赤外領域の光子を超伝導転移端センサで波長測定することで、可視領域の光子の波長を知ることができる。この波長情報を付帯した可視領域の単一光子を光源、空間結合型 Si 単一光子雪崩フォトダイオード（SPCM）を単一画素として単一光子単一画素分光イメージングを行う。また、単一画素イメージングに深層学習を導入することで高画質化及び画像取得時間の短縮化を目指す。