単一光子検出器・とは？初心者でも分かる仕組みと用途共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

単一光子検出器・とは？

このページでは、単一光子検出器について、初心者にもわかる言葉で解説します。結論を先に言うと、光の最小単位である光子を1つずつ捉える機械で、量子通信や天文学、レーザー測距など、さまざまな場面で使われます。

光子は光の最小単位で、私たちの目には見えない微小な粒です。空気中の光でも、波としての性質と粒としての性質を持ち、光子が検出器に到達すると電気的な信号として検出されます。

仕組みの基本

単一光子検出器は、1つの光子を「信号」として捉えるように作られています。検出器の内部では、光子が当たると電気的な変化が起き、それを外部の回路が読み取り「パルス」として出します。ここで重要なのは、検出の確率とダークカウント（暗い状態での誤検出）のバランスです。

代表的な種類

APD（ avalanche photodiode ）：半導体を使い、微弱な光でも信号を増幅して検出します。安価で手に入りやすい反面、暗いノイズがやや多いことがあります。

SNSPD（ superconducting nanowire single-photon detector ）：超伝導材料の細い線上で光子を検出します。検出効率が高く、時間分解能が優秀ですが、-100度以下の低温環境が必要です。

PMT（ photomultiplier tube ）：古典的な検出器で、光を信号へと大拡大して検出します。広範囲の波長に対応しますが、サイズが大きく高価なことがあります。

性能指標の基本

実用的には、以下の3つがとても大切です。

検出効率：入ってきた光子をどれだけ検出できるかの割合。

ダークカウント率：光子がなくても信号が出る頻度。

時間分解能：光子を検出して信号として現れるまでの時間のばらつき。

日常から見える応用例

例えば、遠くの星の光を測るときや、暗闇の中でレーザーを使って距離を測るとき、単一光子検出器が活躍します。また、量子通信の分野では、光子を安全にやり取りするための鍵を作る技術に欠かせません。

選び方のポイント

どの検出器を選ぶかは、使う場面と予算で決まります。以下を目安にするとよいでしょう。

必要な検出効率と暗いノイズの許容度を考える。

常温で使えるか、それとも低温が必要かを確認する。

設置スペースとコストを比較する。

比較表（代表的な3タイプ）

<th>項目

APD	SNSPD	PMT
検出原理	半導体ダイオードの逆方向バイアス下での電流増幅	超伝導ナノワイヤでの検出	光を多段階で電気信号に拡大
動作温度	常温〜低温	極低温	室温〜低温
主な長所	安価、手に入りやすい	高検出効率、低ノイズ	広い波長域、信号強度
主な短所	ダークカウントが多い場合がある	装置が多様、コスト高	サイズ・価格が大きい

このように、用途に合わせて最適な検出器を選ぶことが大切です。例えば実験室の教育用途ならAPDが適していることが多く、研究開発ではSNSPDの高性能を活かす場面が増えます。

最後に、安全性や取り扱いの注意点も覚えておきましょう。低温機器は安全な取り扱いが求められ、適切な冷却と絶縁が必要です。理解を深めるには、金属や半導体の基本を学ぶとさらに役立ちます。

単一光子検出器の同意語

単一光子検出器: 最も一般的な呼称。光子を1つだけ検出する機能を持つデバイスの総称。
単一光子ディテクター: 英語の Single Photon Detector の和訳・別表記。学術文献や教材で頻繁に使われる。
シングルフォトン検出器: 英語名のカタカナ表記。論文や教科書でもよく見られる別表現。
シングルフォトンディテクター: 英語名の別表記。技術文献で用いられることが多い。
単一光子検出デバイス: 検出機能を持つデバイス全般を指す語。文脈次第で単一光子検出器の同義として使われることがある。
単一光子計数検出器: 光子を計数する機能を強調した表現。研究分野でこのニュアンスで使われることがある。
フォトン検出器: フォトンは光子を意味するカタカナ表現。文献の総称として使われることがあるが、必ずしも『単一』に限定されるわけではない点に注意。
フォトンディテクタ: フォトン検出器のカタカナ表記の短縮形。専門家の間で用いられることがある。
SPAD検出器: SPAD（Single Photon Avalanche Diode）技術を用いた単一光子検出器の一種を指す略語。
SPAD（Single Photon Avalanche Diode）検出器: SPAD技術を明示した正式表現。単一光子検出器の代表的なタイプを指す場合に使われる。

単一光子検出器の対義語・反対語

複数光子検出器: 単一の光子だけを検出するのではなく、複数の光子を同時または順次的に検出・カウントできる設計の検出器。単一光子検出器の対義語として使われることが多い概念です。
光子数分解能検出器: 検出された光子の数を個別に識別・分解してカウントできる検出器。光子の正確な個数を判定できる点が、1光子のみを検出する単一光子検出器と異なります。
光子数解像検出器: 光子の個数を識別し、2光子・3光子などの数を区別して測定できる検出器。PNR（ photon-number-resolving ）検出器の意味合いと近い概念です。
アナログ光検出器: 光の強度を連続的なアナログ信号として出力する検出器。離散的な「クリック」イベントでカウントする単一光子検出器とは、測定モードが異なります。
連続光検出器: 連続的な光を測定するタイプの検出器で、光子の個別検出よりも光強度を連続信号として扱う設計を指します。
光強度検出器: 光の総合的な強度・フラックスを測る検出器。単一光子を1件ずつ検出するのではなく、平均的な光の強度を把握する用途に適しています。