[論文レビュー] A scalable single-photon imager using a single superconducting nanowire

Qingyuan Zhao, Di Zhu+7 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、1本の超伝導ナノワイヤーがマイクロ波プラズモン伝送路として機能し、検出信号を光速の約2%に遅くするスケーラブルな1光子イメージャーを提案する。2本のリードアウトラインのみを用いて、19.7-mmのメンダー形ナノワイヤーが286 µm × 193 µmの領域で約590効果的画素と50 psの時間分解能を達成し、複雑なアレイ統合を必要とせずに高分解能の空間時間的光子検出を可能にする。

ABSTRACT

Detecting spatial and temporal information of individual photons by using single-photon-detector (SPD) arrays is critical to applications in spectroscopy, communication, biological imaging, astronomical observation, and quantum-information processing. Among the current SPDs1,detectors based on superconducting nanowires have outstanding performance2, but are limited in their ability to be integrated into large scale arrays due to the engineering difficulty of high-bandwidth cryogenic electronic readout3-8. Here, we address this problem by demonstrating a scalable single-photon imager using a single continuous photon-sensitive superconducting nanowire microwave-plasmon transmission line. By appropriately designing the nanowire's local electromagnetic environment so that the nanowire guides microwave plasmons, the propagating voltages signals generated by a photon-detection event were slowed down to ~ 2% of the speed of light. As a result, the time difference between arrivals of the signals at the two ends of the nanowire naturally encoded the position and time of absorption of the photon. Thus, with only two readout lines, we demonstrated that a 19.7-mm-long nanowire meandered across an area of 286 {\mu}m * 193 {\mu}m was capable of resolving ~590 effective pixels while simultaneously recording the arrival times of photons with a temporal resolution of 50 ps. The nanowire imager presents a scalable approach to realizing high-resolution photon imaging in time and space.

研究の動機と目的

• 従来の超伝導ナノワイヤー1光子検出器（SNSPD）アレイが、高帯域幅の低温リードアウトの複雑さによってスケーラビリティに制限を受けるのを克服すること。
• 複数の個別検出素子ではなく、1本の連続ナノワイヤーを用いて高分解能の空間時間的光子検出を実現すること。
• 1本のナノワイヤーに沿った遅く伝播する信号の到着時差に、光子の位置と到着時間を符号化するリードアウト戦略を開発すること。
• 電子的複雑性を最小限に抑えた大面積・高分解能1光子イメージングの実用的でスケーラブルなアーキテクチャを実証すること。

提案手法

• ナノワイヤーはマイクロ波プラズモンをガイドするように設計され、電磁信号を光速の約2%に遅くする伝送路を形成する。
• 光子吸収により局所的な電圧パルスが生成され、それがナノワイヤーに沿ってマイクロ波プラズモンとして伝播する。
• ナノワイヤーの両端に到着する信号の時間差が、光子吸収の空間的位置を符号化する。
• 信号の時間的広がりが、50 psの分解能で光子の到着時間を特定するために用いられる。
• 低温リードアウトラインはナノワイヤーの両端に1本ずつのみ必要であり、スケーラブルな統合を可能にする。
• ナノワイヤーはコンactな領域（286 µm × 193 µm）に最大の効果的画素数を実現するためにメンダー構造にパターニングされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の検出素子ごとのリードアウトラインを必要とせず、1本の超伝導ナノワイヤーがスケーラブルで高分解能の1光子イメージャーとして機能できるか？
• RQ2 2つのリードアウトポイントでのみ、信号伝播遅延をどのように設計して空間的および時間的光子情報の符号化を実現できるか？
• RQ3 実用的な信号伝播およびタイミング制約下で、1本のナノワイヤーで達成可能な最大効果的画素数は何か？
• RQ4 電子的複雑性を最小限に抑えた1ナノワイヤー構造で50 ps未満の時間分解能を達成できるか？
• RQ5 プラズモンベースの1光子イメージングシステムにおいて、ナノワイヤー長、信号遅延、および空間分解能のトレードオフは何か？

主な発見

• 286 µm × 193 µmの領域に19.7-mmの超伝導ナノワイヤーをメンドー形に配置し、2本のリードアウトラインでのみ約590効果的画素を達成した。
• ナノワイヤー内のマニピュレートされたマイクロ波プラズモンの閉じ込めにより、信号伝播が光速の約2%に遅くなった。
• 光子の到着時刻は50 psの時間分解能で解像され、高精度な時間測定が可能になった。
• ナノワイヤー両端に到着する信号の時間飛行差が、光子吸収位置を高精度に符号化した。
• 各検出素子ごとの複雑な高帯域幅の低温多重化を排除することで、スケーラビリティが実証された。
• 電子的インfraストラクチャを最小限に抑えた高分解能・大面積1光子イメージングが可能になった。