ポイント　

・ 光子が生み出す磁束量子を直接観測し、量子化電圧信号として読み出すことで、光子を計数できる“新原理”を実証

・ 熱応答に依存しない、高速動作が期待される新しい光子数識別器の可能性を開拓

・ 光量子コンピュータにおける量子誤り訂正に応用可能な高速光子数識別器の実現に向けて前進

概 要　

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（産総研）量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター（G-QuAT）／物理計測標準研究部門の福田 大治 首席研究員、量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター（G-QuAT）量子フォトニクスハードウェア研究チーム／物理計測標準研究部門 量子センサー計測研究グループ 鶴田 哲也 主任研究員らは、光子吸収によって超伝導体中に生じる磁束量子を直接観測し、その数から光子数を識別する新しい光子検出原理の実証に成功しました。

光子一つひとつを検出することは、光量子コンピュータや量子通信において重要な技術として位置付けられており、いくつかの方式が提案されています。研究用途には一部実用化されているほか、産業応用への組み込みが始まりつつあります。今回実証したのは、従来の技術では実現し得なかった高い光子数識別能力と高速性の両立が期待される新たな光子検出原理です。

光子が超伝導体に吸収されると超伝導位相の勾配が不安定化し、磁束量子対が発生します。発生した磁束量子が超伝導体を横切ると位相スリップが生じ、その結果としてジョセフソン効果による量子化電圧信号が発生します。本研究では、この量子化電圧信号を観測することで、光子によって生じた磁束量子の運動を直接捉えるとともに、その信号から入射した光子数を識別することに成功しました。

従来の超伝導光子数識別器は、光子吸収後に熱平衡状態に到達した際の温度変化を測定していました。一方、本技術は熱ではなく、光吸収直後に発生する超伝導位相のダイナミクスを利用します。熱的な応答を待つ時間が不要なため、従来方式を超える高速な光子数識別技術につながることが期待されます。この研究成果の詳細は、2026年9月2日に米国物理学会（APS）の学術誌 Physical Review Applied に掲載され、Editor's Suggestion に選定されました。

下線部は【用語解説】参照

研究の社会的背景

光量子コンピュータでは光子を量子ビットとして利用することで高速な大規模量子演算の実現が、また量子通信では光子を量子情報の担い手として利用することで情報理論的安全性の高い通信の実現が期待されています。こうした量子フォトニクス技術の高度化には、光子を高効率かつ高精度に検出する必要があります。なかでも、単に光子の有無を検出するだけでなく、1個、2個、3個…と光子数まで識別できる光子数分解検出技術（PNRD）は、単一光子源の評価、ボソニック量子コンピューティング、高度な量子通信方式などへの応用が期待される重要な技術です。PNRDは量子光学研究における重要な計測技術として利用されてきましたが、今後の大規模光量子コンピュータや量子通信インフラへの展開に向けては、さらなる高速化が求められています。

代表的な光子検出器として超伝導転移端センサー（TES）や超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）があります。TESは複数の光子を識別できる優れた性能を持つ一方で、光子のエネルギーを熱として測定するため冷却に伴う待機時間が必要となり、応答速度に制約があります。一方SNSPDは極めて高速に動作しますが、光子が入射したことは分かるものの、それがどれだけのエネルギーだったかは分かりません。そのため、PNRDとして機能させ、光子数を識別するには、多数の検出器を組み合わせる必要があります。

現在、TESの高い光子数識別能力とSNSPDの高速性を両立することは、依然として重要な技術課題となっており、これらを両立するにはこれまでの技術の高度化ではなく、光検出の新たな方式が必要になります。

研究の経緯

従来、光子数を測定するためには超伝導転移端センサー（TES）が用いられてきました。産総研では長年にわたりTESの研究開発を進めており、現在では検出効率99 %、30光子以上の光子数を測定可能な世界最高水準の光子数識別器の開発に成功しています[1]。一方で、TESは光子のエネルギーを熱に変換し、その温度上昇を測定することで光子数を識別する原理であるため、次の光パルスを測定するには吸収した熱が冷えて元の状態に戻るまで待機時間が必要です。この応答速度の制限は、大規模光量子コンピュータや量子誤り訂正で求められる超高速な光子数識別の実現において大きな課題となっていました。特に大規模な光量子コンピュータでは、演算中に生じる誤りを検出・訂正するため、多数の光子を高速かつ正確に識別する技術が重要になります。

そこで研究グループは、熱ではなく、光子吸収直後に超伝導体中で生じる超伝導位相のダイナミクスに着目しました。これらの現象は熱平衡に達するよりもはるかに短い時間スケールで発生するため、熱を利用する従来方式を超える高速な光子数識別原理につながる可能性があります。

本研究では、この超伝導位相ダイナミクスに由来する量子化電圧信号を利用し、光子が生み出す磁束量子の運動を直接観測することで、光子数識別の実証に取り組みました。

なお、本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）ムーンショット型研究開発事業 目標6「誤り耐性型大規模汎用光量子コンピュータの研究開発（JPMJMS2064）」および「誤り耐性型全光学式光量子コンピュータの研究開発（JPMJMS256I）」、内閣府 戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「先進的量子技術基盤の社会課題への応用促進」（研究推進法人：量子科学技術研究開発機構（QST））における研究テーマ「量子コンピュータ・センサーハードウエアコンポーネントテストベッドの構築」、内閣府 研究開発と Society 5.0 との橋渡しプログラム（BRIDGE）「商用光量子コンピュータの構築」、日本学術振興会 科学研究費助成事業（JP24K01374）、および国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）委託事業（JPNP25014）の支援を受けて実施されました。

研究の内容

光子はその波長に応じたエネルギーを持っています。この光子が超伝導体に吸収されると、「ホットスポット」と呼ばれる局所的に超伝導状態が弱まった領域が形成されます。このホットスポットによって超伝導位相の勾配が生じて不安定化し、それを補償するために磁束量子対が生成されることが理論的に予測されていました。しかし、磁束量子は極めて小さな磁束を持つ量子的な励起であり、その運動を直接観測することは容易ではありません。そのため、光子によって生成された磁束量子のダイナミクスは長年理論的に予測されていたものの、実験的な直接観測は実現されていませんでした。磁束量子が超伝導体を横切ると、超伝導位相は2πだけ変化します。この現象は「位相スリップ」と呼ばれ、ジョセフソン関係に従った量子化電圧信号が発生します。そこで研究グループでは、光子吸収により発生した磁束量子対を、電流によって超伝導体中を移動させ、その際に生じる位相スリップに伴う量子化電圧信号を観測することに着目しました。

本研究では、この量子化電圧を高感度に測定することで、光子によって生成された磁束量子を直接観測することに成功しました。

図1は、光子照射後に観測された量子化電圧パルスの例を示しています。各曲線は単一ショット測定の結果であり、パルス高さが離散的な値を取ることが確認できます。これは発生した磁束量子の本数が整数であることを反映しており、磁束量子の数を電圧信号として読み出せていることを示しています。平均数個の光子を入射した場合でも複数の離散レベルが観測され、光子によって生成された磁束量子を量子化電圧信号として直接観測できることを実証しました（図1）。

さらに研究グループは、光子吸収によって発生する磁束量子の数が、吸収された光子数の増加とともに増えることに着目しました。光子数が多いほど、超伝導体中を横切る磁束量子の数、すなわち位相スリップの発生回数も増加します。その結果、観測される量子化電圧信号の大きさも段階的に変化します。

そこで、位相スリップによって生じた量子化電圧信号の大きさから磁束量子数を求め、その分布の違いを用いて光子数を識別することを試みました。その結果、観測された信号は連続的ではなく、光子数に対応した複数の離散的な値を取ることが分かりました。これは、光子吸収によって発生した磁束量子数を量子化電圧信号として読み出し、その情報から光子数を識別できることを示しています。

図2は、光子照射時に観測された量子化電圧信号の波高値分布を示しています。横軸は信号の大きさを表すピークインデックス、縦軸はその出現頻度です。黒色の棒グラフは測定結果、だいだい色の曲線は複数のガウス分布によるフィッティング結果を示しています。分布には複数のピークが現れており、n=0は光子が入射していない事象、n=1、n=2、n=3はそれぞれ1個、2個、3個の光子が吸収された事象、n≥4は4個以上の光子が吸収された事象に対応します。測定結果がこれらの離散的なピークとして分離していることから、位相スリップ信号を用いて光子数を識別できることが実証されました。

従来の超伝導転移端センサー（TES）では、光子が吸収された後、検出器が熱平衡状態へ緩和する過程を利用して光子数を測定します。一方、本研究で実証した手法では、光吸収直後に発生する磁束量子の生成と運動、さらにそれに伴う位相スリップという超伝導位相のダイナミクスを利用して光子数を識別します。すなわち、光子のエネルギーを熱として測定するのではなく、光子吸収によって発生した磁束量子数を量子化電圧信号として読み出す新しい光子数識別原理です。

今回の成果は、光子によって生成された磁束量子を直接観測し、その数を利用して光子数を識別する新しい原理を世界で初めて実証したものです。 これは、 「光子 → 磁束量子 → 位相スリップ → 量子化電圧 → 光子数識別」 という一連の量子的ダイナミクスを利用した新しい光子検出原理の実証でもあります。この方式は熱緩和過程に依存しないため、将来的には従来方式を上回る高速な光子数識別器の実現につながることが期待されます。

今後の予定

本研究により、光子吸収直後に発生する超伝導位相のダイナミクスを利用した、新しい光子数識別原理が実証されました。今後は、検出効率や光子数識別精度の向上に加え、本原理の特徴である高速動作の実証と、集積化に向けたデバイス構造の最適化を進め、光量子コンピュータや量子通信で必要とされる高速・高精度な光子数識別器の実現を目指します。

論文情報

掲載誌：Physical Review Applied

論文タイトル：Direct observation of photon-induced vortices in superconducting films

著者：Takeshi Jodoi, Fuminori Hirayama, Tetsuya Tsuruta, Takahiro Kikuchi and Daiji Fukuda

DOI： https://doi.org/10.1103/n295-rfl8

参考情報

[1] T. Jodoi, T. Tsuruta, T. Kikuchi, N. Kominato, K. Shirota, A. Sato, and D. Fukuda, “Development of transition-edge sensors with high detection efficiency and fast response time,” APL Photonics, vol. 11, no. 7, p. 076114, Jul. 2026, DOI: 10.1063/5.0329056.

用語解説

光子

光の最小単位。光は波としての性質と粒子としての性質を併せ持っており、その粒子としての一つ一つを光子と呼ぶ。量子通信や量子コンピュータでは、光子を情報の担い手として利用する。

超伝導

超伝導とは、物質を極低温まで冷却した際に電気抵抗がゼロになる現象。超伝導状態では、多数の電子が一つの量子的な波として振る舞い、その波が持つ「位相」によって電流の流れが決まる。このため、超伝導体では位相の変化が重要な物理現象を引き起こす。

磁束量子

超伝導体の中を通過できる磁束（磁力線）は連続的な値をとるのではなく、一定の最小単位で量子化されている。この最小単位を磁束量子と呼ぶ。

光量子コンピュータ

光子を量子情報の担い手として利用する量子コンピュータ。光子の量子状態を用いて演算を行うため、量子通信との親和性が高く、大規模な量子コンピュータの実現方式として期待されている。演算や量子誤り訂正には光子を高精度に検出・識別する技術が重要となる。

量子通信

光子などの量子状態を利用して情報を伝送する通信技術。量子暗号通信をはじめとする次世代通信技術の基盤として研究開発が進められている。

位相スリップ

位相スリップとは、超伝導波の位相が瞬間的に2πだけ変化する現象。光子の吸収などによって超伝導位相の勾配が不安定になると、磁束量子が超伝導体を横切ることで位相の乱れが解消される。

ジョセフソン効果

超伝導体の位相の変化と電圧の発生を結びつける法則。磁束量子が超伝導体を横切ると超伝導位相が変化し、それに対応した電圧信号が発生する。

ボソニック量子コンピューティング

光子などのボース粒子の量子状態を利用して計算を行う量子コンピュータ方式。光子を用いた光量子コンピュータもボソニック量子コンピューティングの代表例の一つである。

超伝導転移端センサー（TES）

Transition Edge Sensorを略してTESと呼ぶ。超伝導状態と常伝導状態の境界（転移端）付近で動作させ、光子の吸収によるわずかな温度変化を抵抗変化として検出する超伝導光子検出器。高い検出効率と優れた光子数識別性能を持つ一方、光子によって発生した熱が冷えて元の状態に戻るまで待つ必要があるため、動作速度に制限がある。

超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）

Superconducting Nanowire Single-Photon Detectorを略してSNSPDと呼ぶ。超伝導細線に光子が入射した際に生じる超伝導状態の局所的な破壊を検出する超伝導光検出器。高い検出効率、低雑音、高速動作を特徴とし、量子通信や量子暗号などで広く利用されている。一方、TESとは異なり光子数を直接識別することは困難である。

量子誤り訂正

外部からのノイズやデバイスの不完全性によって生じる量子情報の誤りを検出し、修正する技術。量子コンピュータでは量子状態が非常に壊れやすいため、大規模な計算を実現するためには誤り訂正が不可欠である。多数の物理量子ビットや光子を用いて一つの論理量子ビットを構成することで、高い信頼性を実現する。

プレスリリースURL

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2026/pr20260903_2/pr20260903_2.html