窒化ニオブ超伝導単一光子検出器とアバランシェフオトダイオードの時間ジッタ比較

摘要

We report the pulse-to-pulse timing jitter measurement of a niobium nitride (NbN) superconducting single-photon detector (SSPD) which we fabricated and and InGaAs avalanche photodiode (APD) at 1550-nm wavelength. A direct comparison of their timing jitter was performed by using the same experimental configuration to measure both detectors. The measured jitter of the SSPD and the APD are 75 and 84 ps at full-width at half-maximum (FWHM), and 138 and 384 ps at full-width at tenth-maximum (FWTM), respectively. The jitter of the SSPD remains small at FWTM while that of APD is large. We also estimated the transmission distances and secure key generation rates for fiber-based quantum key distribution (QKD) when these detectors are used. The estimated transmission distances of the APD are 86 km and 107 km with respect to 1 ns and 100 ps time windows, respectively, and those of the SSPD are 125 km and 172 km with respect to 1 ns and 100 ps time windows, respectively. This estimation indicates the SSPD's advantages over QKD compared to the APD.%窒化ニオブからなる超伝導単一光子検出器（SSPD）を作製し、作製したSSPDとInGaAsアバランシェフオトダイオード（APD）の時間ジッタの測定を1550nmの光子を用いて行った。同じセットアップを用いて直接の比較を行い、半値幅がSSPDは75ps、APDは84ps、最大カウントのl／10のカウントの全幅（FWTM）がSSPDは138ps、APDは384psという結果を得た。APDはFWTMにおいてジッタが大きくなっているのに対し、SSPDはFWTMおいても低ジッタである。このジッタの違いが量子鍵配送システムの性能に及ぼす影響を見る為に、測定に用いたSSPD、APDを量子鍵配送へ用いた場合の伝送距離の見積もりを行った。APDは時間窓1ns、100psにおいてそれぞれ86kn、107km、SSPDは時間窓1ns、100psにおいてそれぞれ125km、172kmの伝送距離が見積もられた。時間窓を狭くする事による伝送距離の増分は、SSPDがAPDより大きい。この事はSSPDの低時間ジッタに由来し、量子鍵配送システムへの利用にSSPDが有利である事を示している。