每个晶体管都有独特的量子指纹,但能被用作身份证的形式吗?
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每个晶体管都有独特的量子指纹,但能被用作身份证的形式吗?

2019年09月21日 15:48:39
来源:博科园

可以把电流想象成流过电子设备的平滑、均匀电子流,但在量子尺度上,电流的流动可以更准确地描绘成一条包含许多微小波纹的潺潺小溪。这些波纹可能是由单电子效应引起的,单电子效应是由于电子之间的排斥作用而产生,这种排斥作用被限制在非常小的空间内,例如晶体管中的陷阱位置。单电子效应可让这些器件的电流电压特性发生微小变化。由于陷阱位置基本上是微小的缺陷。这些缺陷在制造过程中以一种无法控制的方式随机分布。

因此每个晶体管陷阱位置的数量、位置和能级都不同。同时单电子效应导致电流电压特性的独特改变,有效地给每个晶体管一个独特的“指纹”。现在研究人员一直在研究这些量子指纹有朝一日可能如何被用作一种廉价的身份识别形式,以保护用户的个人信息,为物联网(Internet of Things)这一新兴互联设备网络提供技术支持。日本物理学家T. Tanamoto和Y. Nishi以及日本崎玉理研的K. Ono在《应用物理快报》上发表的研究证明:

单电子效应可以通过图像识别算法检测出来,并用于计算机芯片识别和安全。到目前为止,单电子器件还没有广泛的应用,新研究研究开启了利用单电子效应的另一种方式:作为一种安全装置,因为安全的重要性与日俱增。正如物理学家所描述的那样,电子设备指纹可以被认为是一种物理上不可用的函数(PUF)。与人类指纹一样,puf基于独特、自然发生的物理变化,不能传输到其他设备上。此外,PUFs在整个设备的生命周期中都保留了它们的关键特性,尽管由于老化的影响会导致一些退化。

在研究中,物理学家应用图像匹配算法来识别不同的电流-电压特性,称为库仑钻石。库仑钻石之所以如此命名,是因为电流-电压图中电流受单电子效应抑制的区域有时具有钻石的形状。随着圈闭点数量的增加,钻石的花纹也因复杂而增多。正如人类的指纹会随着环境的不同而变化,例如潮湿、干燥或油性,库仑钻石图像在不同的条件下测量时也会略有不同。尽管存在这些差异,研究人员证明,目前可用的特征检测和图像匹配算法能够成功地提取关键特征(如角和边),并区分不同的库仑钻石。

这种方法的优点之一是,尽管现在一个普通计算机芯片包含超过10亿个晶体管,但是只需要一个晶体管就可以为整个芯片生成指纹,这使得将这种方法应用于实际器件成为可能,因为只需要测量一个晶体管。另一方面,在实现该方法之前仍然存在一些挑战。首先,库仑钻石是在绝对零度以上1.5度左右的低温下测量。以前的研究表明,在室温下测量单电子效应是可能的,但目前这种能力需要昂贵的制造工艺。

在未来,物理学家们计划探索其他方式的指纹晶体管,一种可能性是测量陷阱中电子自旋量子位行为,因为这些量子行为预计会受到陷阱的影响。与单电子效应一样,晶体管中陷阱的独特和随机分布将导致每个晶体管具有独特指纹。展望未来,研究人员还希望研究如何在未来的量子计算机中实现晶体管指纹安全。量子计算机是目前最热门的话题之一,研究人员希望将来能将其自己研究的量子PUF系统整合到量子计算机安全系统中。

博科园|Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys

参考期刊《应用物理快报》

DOI: 10.1063/1.5100644

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