超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンターの原理
超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンター（単一光子検出器）は、絶対零度付近で電気抵抗が 0（ゼロ）になる超伝導材料を使用したシングルフォトンカウンターです。
その原理は、半導体（アバランシェフォトダイオード）シングルフォトンカウンターとまったく異なり、深紫外から、中赤外まで半ば広い波長範囲に感度を持ちます。
特に通信波長帯ではアバランシェフォトダイオードよりも、検出効率、最大計数率（カウントレート）、暗計数率（ダークカウントレート）、ジッター、など
多くの点で優れています。
この優れた特性を生かして、近年、量子暗号通信、量子光学基礎実験 などに数多く利用され、大きな研究成果を挙げています。
1. 超伝導ナノワイヤ
超伝導材料からなるナノワイヤに、絶対零度付近で電流を流します。
そこに光子が入射すると、その部分に超伝導状態が壊れた領域（ホットスポット）が生じます。
超伝導ナノワイヤにバイアス電流を十分に印加した状態では、このホットスポットの発生を引き金にして、その周囲の超伝導電流密度が臨界温度（この温度以上では超伝導状態が壊れる）を越えて、ナノワイヤ全体の超伝導状態が壊れます。
このためナノワイヤに数 kΩ の抵抗が発生して、バイアス電流は迂回ルートの負荷 50Ω 側を流れます。
これがホットスポット周辺のジュール熱を基板に拡散させることにつながり、ホットスポット周辺は超伝導状態に変わり、バイアス電流が超伝導ナノワイヤを流れる最初の状態戻ります。
光子を受光するごとに、超伝導ナノワイヤの両端の電圧は上昇します。
この電圧上昇のパルスを測定することで、光子を検出することができます。
図 1. 外観
図 2. 動作原理
図 3. 等価回路
図 4. 時間応答
2. バイアス電圧特性
光子のシステム検出効率（SDE）はバイアス電圧に直線的に比例し、ある値以上になると、ほぼ横ばいになります。
ダークカウントレート（DCR）はバイアス電圧に指数関数的に比例してある値以上になると、ほぼ横ばいになります。
バイアス電圧を調整することによって、システム検出効率とダークカウントレートを最適な比率に設定することができます。
図 5. システム検出効率、ダークカウントレートのバイアス電圧依存性
3. 波長依存性
超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンターは、検出効率の波長依存性は非常に小さくなります。
さまざまな波長の光子を同時に扱う実験にも強みを発揮します。
ある 1波長に合わせて構造を最適化することにより、それぞれの波長で最高の性能を引き出すことができます。
図 6. システム検出効率の波長依存性
4. クライオスタット（冷凍機）
超伝導ナノワイヤは絶対零度付近で動作させるため、クライオスタット（冷凍機）が重要役割を担います。
ディテクタを 0.8Kに安定して保持するため、その前段階に 40Kの予備冷却領域を設けています。
これが高い温度安定性を確保することにつながり、Latch Free（システム動作の中断を防ぐ）を実現しました。
Latch Freeは、長時間の連続動作には欠かせない特長で、これによって終夜にわたるタフな実験が初めて可能になります。
図 7. クライオスタットの構造
5. 光子数計測（Photon Number Resolving）
通常の超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンターは、光子が入射したタイミングを計測しますが、光子が何個入射したかは、測定できません。
しかし、光子数を計測したいというご希望は多く、それに応えるために、新たに開発したのがPNR（Photon Number Resolving）SNSPD（光子数計測超伝導ナノワイヤ シングルフォトンカウンター）です。
図 8. PNR（Photon Number Resolving）の概略構造図
図 9. PNR（Photon Number Resolving）の測定出力