産業技術総合研究所、光子数を識別する新原理を実証

ニュース紹介

「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ー実現に向けた次世代の光子数識別器へ」

産業技術総合研究所量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センターの福田大治首席研究員、鶴田哲也主任研究員らの研究グループは、光子が生み出す磁束量子を直接観測し、光子の数を数えられる新しい原理を実証したと発表しました。

この分野では、光子を1つずつ数える検出器が熱の変化を待つ方式に頼っており、動作の速さに限界がありました。

研究グループは、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になり、磁束量子の対が生まれることに着目しました。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起き、ジョセフソン効果による量子化電圧信号が現れます。この信号を読み取ることで、入射した光子の数を識別することに成功しました。本成果は2026年9月2日付で米国物理学会の学術誌『Physical Review Applied』に掲載され、Editor's Suggestionに選ばれています。

出典：科学技術振興機構（JST） 2026年9月3日プレスリリース
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20260903-2/index.html

FrontJournalの解説

この研究分野について

光は光子という粒の集まりです。この粒を1つずつ数える装置が光子数識別器で、光量子コンピューターや量子通信を支える基盤の部品にあたります。

光量子コンピューターでは、計算の途中で生じる誤りを見つけて直す量子誤り訂正が欠かせません。その判定に光子の数を使うため、数える速さがそのまま計算の速さを左右します。

①熱の変化を待つ方式では速くならない

従来の光子数識別器は、光子が当たったときに生じる温度の変化を読み取る仕組みでした。温度が上がり、また下がるまでを待つ必要があるため、1回あたりの検出時間を縮めにくい構造です。

光子を数える能力と速さの両立が課題となっており、熱応答に頼らない新しい原理が求められていました。

②磁束量子の電圧信号で数える

研究グループは、超伝導体に光子が吸収されると磁束量子（超伝導体の中を通り抜ける磁力線の最小単位）の対が生まれる現象を利用しました。この磁束量子が超伝導体を横切ると位相スリップが起き、電圧が階段状に現れます。

電圧の大きさが光子の数に対応するため、温度が戻るのを待たずに数を読み取れます。研究グループは、この方式が従来を超える速さにつながると見込んでいます。