光子が生み出す磁束量子を直接観測し、光子数を識別する“新原理”を実証 -大規模演算で正しい解を導く光量子コンピュータ実現に向けた次世代の光子数識別器へ-

2026-09-03 産業技術総合研究所

光子を超伝導体に吸収させた際に生じる「磁束量子」を直接観測し、その数を量子化電圧信号として読み出すことで、入射した光子数を識別する新しい原理を産総研などの研究グループが実証した。光子吸収→磁束量子生成→位相スリップ→量子化電圧という超伝導の量子的ダイナミクスを利用する点が特徴。従来のTESは光子エネルギーを熱として測定するため熱緩和による速度制約があるのに対し、本方式は熱応答を待たずに検出できる可能性がある。実験では1、2、3、4個以上の光子に対応する離散的な信号ピークを確認し、光子数識別能力を実証した。将来は検出効率・識別精度の向上や高速動作、集積化を進め、光量子コンピュータの量子誤り訂正や量子通信向けの高速光子数識別器への応用が期待される。

光子が生み出す磁束量子を直接観測し、光子数を識別する“新原理”を実証 -大規模演算で正しい解を導く光量子コンピュータ実現に向けた次世代の光子数識別器へ-
磁束量子によって光子を検出する原理のイメージ

<関連情報>

超伝導薄膜における光子誘起渦の直接観察 Direct observation of photon-induced vortices in superconducting films

Takeshi Jodoi, Fuminori Hirayama, Tetsuya Tsuruta, Takahiro Kikuchi, and Daiji Fukuda
Physical Review Applied  Published: 2 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/n295-rfl8

Abstract

Nucleation of vortex-antivortex pairs (VAPs) is believed to play a central role in the photon detection mechanism of superconducting detectors; however, their direct dynamic observation has remained challenging. Here, we report the direct observation of photon-induced VAP dynamics in a current-carrying superconductor as quantized voltage signals following photon absorption. The observed signals are interpreted as discrete phase-slip events, where each vortex traversal induces a 2⁢ phase change of the superconducting order parameter, resulting in a quantized voltage pulse whose time integral is given by the magnetic flux quantum Φ0. We analyze the resulting quantized signals as a function of bias current, base temperature, and input photon-number states and find that the number of VAPs generated per absorbed photon becomes effectively stabilized under specific conditions. Under these conditions, we demonstrate photon-number-resolving capability by directly counting phase-slip-induced voltage quanta. Our results reveal a detection mechanism governed by phase dynamics rather than conventional resistive transitions and represent the first demonstration of photon-number resolution based on VAP counting, enabling fast multi-photon-resolving superconducting detectors for quantum optics.

0403電子応用
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