[論文レビュー] Superconducting detector for visible and near-infrared quantum emitters

Vadim Vorobyov, A. Yu. Kazakov+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、可視光および近赤外線波長（500–1100 nm）に最適化された超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を提案し、35000万回/秒の記録的な動的範囲、0.1 Hzに達する低いダークカウントレート、62 psのタイミングジッターを達成した。このデバイスは、量子発光体とオンチップ統合可能であり、ハイパボリックメタマテリアルで強化されたナノダイヤモンド内の窒素・空孔欠陥中心（NV中心）を用いた実験で検証された。

ABSTRACT

Further development of quantum emitter based communication and sensing applications intrinsically depends on the availability of robust single-photon detectors. Here, we demonstrate a new generation of superconducting single-photon detectors specifically optimized for the 500-1100 nm wavelength range, which overlaps with the emission spectrum of many interesting solid-state atom-like systems, such as nitrogen-vacancy and silicon-vacancy centers in diamond. The fabricated detectors have a wide dynamic range (up to 350 million counts per second), low dark count rate (down to 0.1 counts per second), excellent jitter (62 ps), and the possibility of on-chip integration with a quantum emitter. In addition to performance characterization, we tested the detectors in real experimental conditions involving nanodiamond nitrogen-vacancy emitters enhanced by a hyperbolic metamaterial.

研究の動機と目的

• 可視光および近赤外線の量子発光体に特化した高性能単一光子検出器の開発を目的とする。
• 量子通信およびセンシング応用分野における耐障害性が高く、ノイズが少なく、高速な検出器の重要なニーズに対応することを目的とする。
• 窒素・空孔欠陥中心を含む固体状態量子発光体のような量子発光体と、検出器をオンチップで統合することを目的とする。
• 強化されたナノダイヤモンド発光体を用いた実世界の実験において、検出器の性能を実証することを目的とする。

提案手法

• デバイスは、低温環境下で動作するシリコンナ nitride膜上に作製された超伝導ナノワイヤーに基づく。
• 量子効率およびタイミングジッターは、校正済みの光源と時間相関単一光子計数法を用いて評価された。
• 動的範囲は、デジタルオシロスコープとカスタムPythonベースのパルス解析を用いて、連続波照射下で測定された。
• 検出器の応答は、電流減衰関数 I(t) = Iw(1 − exp(−t/τ)) とパルス発火の確率密度関数を用いてモデル化された。
• システムは、発光強化のためのハイパボリックメタマテリアルに結合されたナノダイヤモンド内の窒素・空孔欠陥中心を用いてテストされた。
• 信号対ノイズ比および g(2)(0) 相関関数は、ジッター（ガウス分布）とダークカウントを含む確率的モデルを用いてシミュレートされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導ナノワイヤー単一光子検出器は、500–1100 nmの波長範囲で高い検出効率と低いダークカウントレートを達成できるか？
• RQ2 SNSPDが連続波動作で達成可能な最大の動的範囲は何か？
• RQ3 検出器のジッターおよびダークカウントレートは、量子発光体における光子統計（g(2)(0)）の測定にどのように影響するか？
• RQ4 SNSPDは、実用的な量子応用を想定して、量子発光体とオンチップで効果的に統合できるか？
• RQ5 強化されたナノダイヤモンド内のNV中心を用いた場合、検出器の性能はいかがであるか？

主な発見

• 検出器は、可視光および近赤外線範囲で、過去のSNSPDを上回る最大35000万回/秒の動的範囲を達成した。
• ダークカウントレートは0.1回/秒と低く、高い信号対ノイズ性能を示した。
• タイミングジッターは62 psで測定され、高精度な時間分解光子検出が可能となった。
• 低信号対ノイズ比下でも、ナノダイヤモンド内の窒素・空孔欠陥中心のg(2)(0)の測定において優れた性能を示した。
• 理論的モデリングにより、検出器のジッターおよびダークカウントレートがg(2)(0)測定に測定可能なが、制御可能な影響を与えることが確認された。
• 量子発光体とのオンチップ統合が成功裏に実証され、スケーラブルな量子フォトニクスシステムの実現が可能になった。