用于检测光学信号的防窃听的单光子检测装置的制作方法

本发明涉及一种用于检测光学信号的单光子检测装置，其包括光波导和至少两个纳米线。本发明还涉及上述装置的应用，用来在用量子密匙交换而加密的信号传输中识别袭击。

背景技术：

1、由于出现量子计算机，常见的加密方法受到威胁，因为利用量子计算机能够有效地袭击。相反，量子加密交换的方法(量子密匙分发，qkd)本身在量子计算机的应用之下是安全的。在qkd的情况下，利用量子机制的特性，以便为双方提供一个共同的随机数。该数字在密码学中用作为密钥，以便借助于对称的加密方法防窃听地传输信号。

2、qkd允许基于物理原理的可证实的安全的通信，因为所达到的安全性基于已知的物理的合法性，并且不基于关于计算机和算法的工作能力的假设或者关于可靠人员的可靠性的假设。qkd的安全性以如下方式产生：窃听密码传输的袭击者被发觉。

3、但是在物理系统中实施qkd的前提条件是，所采用的物理组件例如单光子检测器也需要满足确定的准则。重要的前提条件是，物理组件需要以有关机率理论的方式并且在没有外部袭击者的影响的情况下起作用。

4、在单光子检测器的情况下对qkd的可能的袭击通常目的在于，将单光子检测器从有关机率理论的运行范围置于被袭击者控制的运行范围。这样的袭击称为“检测器致盲袭击”。基于这些袭击，检测器不再满足有关机率理论的行为的qkd所需的前提条件，使得不再能实现可证实的安全性。

5、在单光子检测器的情况下迄今为止已知的用于识别检测器致盲袭击的方案使得入射到检测器上的光线的一部分分叉并且检查该部分的高的光功率，该光功率可能来自袭击者。这要求附加组件例如分光器和检测器，它们与真正的检测结构解耦。因此，通过附加组件提高结构的复杂性和位置需求。此外，附加组件隐藏新的安全缺陷。

技术实现思路

1、由此出发，本发明的任务是，提供一种单光子检测器，其能够可靠地识别检测器致盲袭击并且具有降低的复杂性。

2、所述任务通过独立权利要求的特征解决。优选的进一步方案在从属权利要求中可见。

3、因此按本发明提供一种用于检测光学信号的单光子检测装置，其包括光波导和至少两个纳米线。该光波导构成用于，将光学信号沿着光轴引导，参考该光轴，所述至少两个纳米线沿着光轴设置，使得参考该光轴，至少一个第二纳米线设置在一个第一纳米线上游，所述至少两个纳米线构成用于，在预定温度时是超导的，并且在超导状态中构成用于，在超过光学信号的阈值强度时产生输出信号，并且所述至少两个纳米线构成为，使得所述至少两个纳米线具有彼此不同的阈值强度。

4、此外，所述任务通过上述单光子检测装置的应用解决，用来在通过量子密匙交换而加密的信号传输时识别袭击。

5、本发明的核心是，在同一个光波导中采用至少两个纳米线，所述至少两个纳米线具有彼此不同的阈值强度，从所述阈值强度起能够产生输出信号。因此换言之，在单光子检测装置中，在同一个光波导上采用至少两个超导纳米线单光子检测器(snspd)。snspd具有纳米线作为真正的检测器元件，该纳米线在足够低的温度时是超导的。snspd允许，在超过光学信号的强度的可预定的阈值——阈值强度——时才产生输出信号。

6、因为所述至少两个纳米线沿着光波导的光轴设置，在光波导中引导的光学信号依次通过相应的纳米线。因为各纳米线具有彼此不同的阈值强度，因此，相应的纳米线在光波导中引导的光学信号的不同强度时产生它们的相应的输出信号。因此，通过各纳米线的输出信号的统计学分析，推断入射的光学信号的强度。因此可以可靠地识别对单光子检测器的检测器致盲袭击。

7、单光子检测装置因此与已知的装置相比具有减小的复杂性，在这些已知的装置中采用附件组件例如分光器和检测器，以便推断出光学信号的强度。相应地提高安全性，因为第二纳米线与第一纳米线处于相同的光波导上，并且不采用附加的光子组件，这些光子组件本身可以具有强烈的与波长相关的特征，袭击者可能利用该特征。此外，位置需求是非常小的，因为纳米线非常小。也基于小的位置需求，单光子检测装置的制造是有利的。此外，基于小的复杂性，单光子检测装置可以简单地扩大规模。单光子检测装置因此没有另外的检测器和/或光学组件，而是基于所述至少两个纳米线能够识别对单光子检测装置的检测器致盲袭击。换言之，涉及防窃听的单光子检测装置，其能够在qkd中采用。

8、原则上可能的是，单光子检测装置具有多个纳米线，它们分别沿着光波导的光轴设置。在该设置中被沿着光轴在光波导中引导的光学信号最后到达的那一个纳米线对应于单光子检测装置的用作为初级检测器的snspd的检测器元件。该纳米线在下面也称为第一纳米线。其他的纳米线——即第二、第三等等纳米线——参考光轴设置在第一纳米线上游。因此，在光波导中引导的光学信号在其到达第一纳米线之前首先到达所述其他的纳米线。优选地，第一纳米线构成为，使得第一纳米线的输出信号基于非常少的光子、特别优选基于一个单个光子能被产生。相应地，单光子检测装置的初级检测器非常灵敏并且可以已经检测各单个光子。

9、所述其他的纳米线对应于用作为次级检测器的snspd的检测器元件，它们保证识别对单光子检测装置的袭击。单光子检测装置具有至少一个次级检测器，使得单光子检测装置因此包括第一纳米线在内包括至少两个纳米线。因此，单光子检测装置能够识别在单光子水平上的光学信号，如其对于qkd是必需的，并且同时能够识别以下光学信号，这些光学信号在其强度中与预期强度偏离并且可能来自检测器致盲袭击。

10、snspd的检测机制基于以下原理：纳米线被施加外部的直流，其在量值中略微小于临界流，在该临界流时纳米线的超导崩溃。遇到该纳米线的一个或多个光子由于库珀偶对的崩溃而局部地将临界流的量值减小到低于施加的直流的量值。这导致形成具有有限电阻的局部化的非超导的区域或热点。基于有限电阻，在读取放大器中产生可测量的信号——称为输出信号。

11、光波导优选是平面的光波导结构，其在集成的光学装置中使用。第一纳米线可以原则上施加在光波导上。优选地，第一纳米线集成到光波导中。特别优选地，直接在制造光波导时(该光波导在芯片上成形)将第一纳米线集成到光波导结构中。

12、按照本发明的一种优选的扩展方案规定，第二纳米线构成为，使得第二纳米线比第一纳米线具有更高的阈值强度。如已经提及的，在光波导中引导的光学信号首先经过第二纳米线。因为该第二纳米线优选具有高的阈值强度，第二纳米线在具有低于该阈值的强度的光学信号的情况下不产生输出信号。换言之，次级检测器在光学信号的小强度的情况下不被触发。但是另一方面，在具有高强度的光学信号的情况下由第二纳米线产生输出信号。因此，借助于第二纳米线可以可靠地识别对单光子检测装置的检测器致盲袭击。在超过两个纳米线时，即在超过一个次级检测器时，优选规定，所有的其他的纳米线比第一纳米线具有更高的阈值强度，并且另外，所述其他的纳米线的阈值强度彼此不同。因此可以通过各纳米线的输出信号的统计学分析推断出入射的光学信号的强度。

13、优选地，第二纳米线参考光学信号被光波导引导的方向不仅设置在第一纳米线上游，而且设置在第一纳米线的空间附近。优选地，参考光轴，第二纳米线与第一纳米线距离不超过100nm。空间附近尤其是与单光子检测装置在集成的光学装置中的制造相关具有以下优点：在制造中不产生不均匀性，所述不均匀性会导致，可能出现不同的生产率。

14、纳米线的阈值强度另外可以通过纳米线的吸收系数确定。在这种关系中，按照本发明的一种优选的扩展方案规定，所述至少两个纳米线具有彼此不同的吸收系数。特别优选地规定，第二纳米线构成为，使得仅仅在光波导中引导的光学信号的一个份额被第二纳米线吸收。相反，第一纳米线优选构成为，使得在光波导中引导的整个光学信号被第一纳米线吸收。基于不同的吸收系数，第二纳米线可以因此通过光学信号的高份额，使得光学信号可以基本上无变化地遇到第一纳米线，该第一纳米线用作为初级检测器的检测器元件。

15、关于第一和第二纳米线的彼此不同的吸收系数，按照本发明的一种优选扩展方案规定，第二纳米线比第一纳米线短。纳米线的长度影响纳米线的吸收系数，使得相应地能够通过纳米线的长度确定吸收系数。第一纳米线优选具有一个长度，该长度实现，在光波导中引导的光被完全吸收。与之相反，第二纳米线优选短于第一纳米线。特别优选，第二纳米线的长度最高为第一纳米线的长度的1/5，特别优选最高为第一纳米线的长度的1/10。第二纳米线的小长度保证，在光学信号的小强度的情况下第二纳米线不产生输出信号并且相应地仅仅第一纳米线产生输出信号。此外，基于第二纳米线的短长度，也仅仅在光波导中引导的光学信号的小份额被吸收。另外，第二纳米线基于小长度而具有非常高的检测速率和小的静止时间。相应地，第二纳米线可以识别具有高的重复率的非常短的光学信号。这进一步简化了检测器致盲袭击的识别。

16、不仅纳米线的长度影响纳米线的吸收系数，而且纳米线相对于在光波导中引导的光学信号的传播方向的定向影响纳米线的吸收系数。原则上，纳米线可以在相对于光学信号传播方向的每一个任意定向中延伸。例如纳米线可以沿着光轴或者与光轴垂直地曲折。但是在这种关系中按照本发明的另外的优选扩展方案规定，第一纳米线沿着光波导的光轴延伸。由于第一纳米线沿着光轴延伸，光学信号通过第一纳米线吸收不与第一纳米线的宽度相关，而是与第一纳米线的长度相关，该长度为宽度的多倍。另外，吸收可以通过第一纳米线的长度确定。优选规定，第一纳米线的长度使得，在光波导中引导的整个光学信号被第一纳米线吸收。

17、因为第一纳米线用作为初级检测器的检测器元件，随着第一纳米线沿着光轴的长度的增加，单光子检测装置的检测速率下降。相反，随着第一纳米线沿着光轴的长度的增加，单光子检测装置的灵敏度也上升。关于良好的平衡，在本发明的一种优选扩展方案中规定，第一纳米线构成为u形的。因此优选规定，第一纳米线包括两个区域，所述两个区域彼此平行地沿着光轴延伸，并且所述两个区域在它们的端部上通过一个第三区域连接，使得第一纳米线具有u形状。该u形状将单光子检测装置的高检测速率和高灵敏度统一，并且附加地能够简单制造。另外，u形状的优点是，第一纳米线的各端部参考光轴基本上是在相同位置上。这简化了电极的安装并且因此简化了单光子检测装置的制造。取代u形状，双u形状或者w形状是可能的。在此情况下，“w”的两个端部参考光轴也基本上是在相同位置上。另外，第一纳米线在w形状的情况下与u形状相比在沿着光轴的伸展尺寸保持不变的情况下具有更大的长度。因此也提高第一纳米线的吸收。

18、关于第二纳米线的定向，按照一种另外的优选的扩展方案规定，第二纳米线与光波导的光轴成横向地延伸。由于第二纳米线与光轴成横向地延伸，光学信号被第二纳米线吸收不与第二纳米线的长度相关，而是与第二纳米线的宽度相关，该长度为该宽度的多倍。相应地，第二纳米线也仅仅吸收光学信号的非常小的份额，使得光学信号几乎无变化地可以到达第一纳米线。另外，第二纳米线的各端部与电极的连接并且特别优选与第一纳米线的电极的连接得到简化，而不提高第二纳米线的长度。

19、在这种关系中，按照本发明的一种优选扩展方案规定，第二纳米线构成为i形的。特别优选，第二纳米线没有曲折形状，而是在直线中与光波导的光轴成横向地在i形状中延伸。这保证，第二纳米线是尽可能短的。第二纳米线的短长度基于高检测速率和小静止时间是特别有利的，以便识别检测器致盲袭击。

20、关于第一和第二纳米线的长度优选规定，第一纳米线的长度是在1μm与500μm之间、特别优选在20μm与500μm之间，和/或第二纳米线的长度是在100nm与50μm之间、特别优选在100nm与10μm之间。所提及的长度已证实为特别适宜的，以便可靠地识别检测器致盲袭击。长度对应于纳米线从一个端部到另一个端部的延伸尺寸。因为多个纳米线并且尤其是第一纳米线可以具有曲折形状、u形状或者其他任意形状，纳米线的长度不必然等于纳米线沿着光轴的伸展尺寸。

21、此外，按照本发明的一种另外的优选扩展方案规定，所述至少两个纳米线能够电串联地运行，能够电并联地运行，或者能够彼此电独立地运行。如已经提及的，用作为初级检测器和次级检测器的snspd的原理基于，纳米线被施加外部的直流。彼此电独立地实现的所述至少两个纳米线的操控具有以下优点：每个纳米线可以被施加直流的特定的量值。因此强度阈值可以通过直流量值对于每个纳米线特定地进行影响，从该强度阈值起纳米线产生输出信号。但是电独立的操控的缺点在于，这种操控关系到提高的位置需求并且此外在制造时关联到较高成本。电串联的操控和/或电并联的操控具有以下优点：它们可以非常节约位置地实现并且此外是有利的。此外，在电串联的操控中和/或在电并联的操控中不需要附加的接触导通和读取电子装置，使得通向单光子检测装置的电线的数量与另外的纳米线的数量无关。

22、关于输出信号的产生，在本发明的一种优选扩展方案中规定，单光子检测装置包括至少两个电极，纳米线的一个端部相应地与一个电极连接。原则上可能的是，单光子检测装置包括正好两个电极，并且所有纳米线的端部与所述两个电极连接，即相应地每一个纳米线的第一端部与第一电极连接，并且每一个纳米线的第二端部与第二电极连接。因此相应地，一个电极用于多个纳米线。替选地可以规定，每一个纳米线与两个自己的电极连接，并且单光子检测装置因此包括超过两个电极。此外，在多个纳米线的情况下混合形式是可能的。这些电极实现，给纳米线供应外部的直流。这些电极优选由金属材料例如铬和/或金制成。原则上，这些电极可以处于光波导的每一个任意位置上，只要它们与纳米线接触。

23、如已经提及的，第一纳米线优选是集成到光波导中的纳米线。在这种关系中按照本发明的一种另外的优选扩展方案规定，第二纳米线施加在光波导上，设置在光波导的空间附近，或者集成到光波导中。因此第二纳米线也可以是集成到光波导中的纳米线。相应地，单光子检测装置实现，仅仅通过集成的光学装置的措施识别检测器致盲袭击。替选地，第二纳米线可以施加在光波导的上侧或者施加在光波导的下侧。另外，第二纳米线也可以施加在光波导的侧旁。也可能的是，第二纳米线设置在光波导的空间附近中，优选设置在光波导的光学近场中，特别优选与光波导距离不超过1μm。

24、另外优选规定，纳米线具有基本上矩形的横截面，其中，纳米线的厚度使得，超导电流能够被引导通过纳米线。优选地，纳米线的厚度为3nm与20nm之间。进一步优选地，纳米线的宽度为10nm与500nm之间。纳米线的厚度在制造过程期间可以通过超导层的厚度影响，该超导层被分离。该层可以在分离之后例如通过电子束光刻和等离子支持的蚀刻方法被结构化，在此情况下可以确定纳米线的宽度。

25、关于纳米线的材料优选规定，纳米线包括来自以下集合的材料中的至少一种材料，所述集合包括：nb,nbn,nbti,nbtin,nb3ge,nb3sn,smfeaso1-xfx,ceofeas,mgb2,wxsi1-x,more,mosi,tan,石墨,含铁的高温超导体(铁肽),以及具有铜氧化物的高温超导体尤其是ybco和/或bscco。纳米线可以由这些材料之中的一种材料制成，或者由任意组合的多种材料制成。作为替换或补充，纳米线也可以由其他的超导材料制成。