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電子學(xué)院張志勇-彭練矛課題組在基于碳納米管陣列的孿生物理不可克隆功能研究中取得重要進(jìn)展

在當(dāng)前信息時(shí)代,海量的智能設(shè)備和人機(jī)交互催生了數(shù)據(jù)的爆炸式增長,這不僅需要信息處理、存儲(chǔ)和通信能力有顯著的提升,而且對個(gè)人信息、敏感信息的存儲(chǔ)和通信的安全性也提出了更高的要求。經(jīng)典密碼學(xué)一般是基于加密算法和密鑰來驗(yàn)證電子設(shè)備、加密或解密信息。用于安全通信的最流行的非對稱算法是RSA加密算法,這一方法的安全性是以經(jīng)典計(jì)算機(jī)處理整數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解問題的指數(shù)級時(shí)間復(fù)雜度為基礎(chǔ),但是對于量子計(jì)算機(jī),該問題可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成。另一種策略是對稱加密,所有通信參與者都擁有相同的密鑰,并且密鑰存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中,但是這種方式易受物理和側(cè)信道攻擊。此外,因?yàn)閷α孔酉到y(tǒng)的攻擊性測量會(huì)對系統(tǒng)造成干擾,所以通過量子密鑰分發(fā)可以表現(xiàn)出比經(jīng)典方法更高的安全性,從而會(huì)被通訊方發(fā)現(xiàn),但這項(xiàng)技術(shù)需要更昂貴的設(shè)備。

北京大學(xué)電子學(xué)院、北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心的張志勇-彭練矛聯(lián)合課題組首次提出了孿生物理不可克隆功能(PUFs)的概念,在化學(xué)氣相沉積法生長的碳管陣列上成功制備了孿生PUFs,并演示了其在加密通訊上的應(yīng)用。碳管陣列在垂直于生長方向具有手性、位置隨機(jī)性,而在平行方向具有一致性。在這種碳管陣列上制備的場效應(yīng)晶體管具有三種不同的電學(xué)性質(zhì),即開路(0,無碳管)、半導(dǎo)體(S, 純半導(dǎo)體碳管S)和金屬(M,至少一根金屬碳管)。由于碳管的位置和手性是由隨機(jī)成核和隨機(jī)催化劑分布決定,所以晶體管將隨機(jī)地顯示O、S和M類型,其順序既不可預(yù)測,也不可克隆。碳管在生長方向可以保持?jǐn)?shù)百微米長度的性質(zhì)不變,故在同一個(gè)碳管陣列上平行制造的兩排晶體管陣列會(huì)顯示出具有相同順序的 O、S 和 M 類型,因此可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)制備兩個(gè)相同的孿生PUFs。對于一般的非孿生PUFs,在加密通訊前,需要把密鑰存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器,再分享給參與通訊的其他人,故降低了安全性,而孿生PUFs無需提前提取密鑰,從而大大提高了安全性。

1. 基于碳納米管陣列的孿生物理不可克隆功能。 


2. 孿生物理不可克隆功能優(yōu)化和加密通訊應(yīng)用

通過對碳管材料和器件尺寸的建模分析和優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性最大化的三元PUFs,同時(shí)碳管的PUFs具有高特異性、高安全性、難以預(yù)測性和高穩(wěn)定性。孿生PUFs的一致性約為95%,在通訊中會(huì)產(chǎn)生誤碼,作者通過容錯(cuò)設(shè)計(jì),使用多個(gè)密鑰加密一個(gè)明文,在解密后,再通過投票的方法確定發(fā)送的信息,這樣可以將加密和解密過程的誤碼率降低到萬億分之一。

該工作首次提出了孿生物理不可克隆功能的概念,在碳納米管陣列上成功制備,并應(yīng)用于加密通訊領(lǐng)域。2022年7月4日,相關(guān)研究成果以《基于碳納米管陣列孿生物理不可克隆功能》(“Twin physically unclonable functions based on aligned carbon nanotube arrays”)為題,在線發(fā)表于《自然·電子學(xué)》(Nature Electronics)。北京大學(xué)電子學(xué)院仲東來博士為第一作者,張志勇教授和彭練矛院士為共同通訊作者。

上述研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、北京市科技計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、季華實(shí)驗(yàn)室等資助。
 轉(zhuǎn)自《北京大學(xué)新聞網(wǎng)》

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