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在當前信息時代，海量的智能設備和人機交互催生了數據的爆炸式增長，這不僅需要信息處理、存儲和通信能力有顯著的提升，而且對個人信息、敏感信息的存儲和通信的安全性也提出了更高的要求。經典密碼學一般是基于加密算法和密鑰來驗證電子設備、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典計算機處理整數的質因數分解問題的指數級時間復雜度為基礎，但是對于量子計算機，該問題可以在多項式時間內完成。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，并且密鑰存儲在非易失性存儲器中，但是這種方式易受物理和側信道攻擊。此外，因為對量子系統的攻擊性測量會對系統造成干擾，所以通過量子密鑰分發可以表現出比經典方法更高的安全性，從而會被通訊方發現，但這項技術需要更昂貴的設備。
北京大學電子學院、北京大學碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、納光電子前沿科學中心的張志勇-彭練矛聯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用。碳管陣列在垂直于生長方向具有手性、位置隨機性，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晶體管具有三種不同的電學性質，即開路（0，無碳管）、半導體（S， 純半導體碳管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成核和隨機催化劑分布決定，所以晶體管將隨機地顯示O、S和M類型，其順序既不可預測，也不可克隆。碳管在生長方向可以保持數百微米長度的性質不變，故在同一個碳管陣列上平行制造的兩排晶體管陣列會顯示出具有相同順序的 O、S 和 M 類型，因此可以實現同時制備兩個相同的孿生PUFs。對于一般的非孿生PUFs，在加密通訊前，需要把密鑰存儲在非易失性存儲器，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。
圖1. 基于碳納米管陣列的孿生物理不可克隆功能。
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圖2. 孿生物理不可克隆功能優化和加密通訊應用
通過對碳管材料和器件尺寸的建模分析和優化，可以實現隨機性最大化的三元PUFs，同時碳管的PUFs具有高特異性、高安全性、難以預測性和高穩定性。孿生PUFs的一致性約為95%，在通訊中會產生誤碼，作者通過容錯設計，使用多個密鑰加密一個明文，在解密后，再通過投票的方法確定發送的信息，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，并應用于加密通訊領域。2022年7月4日，相關研究成果以《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，在線發表于《自然·電子學》（Nature Electronics）。北京大學電子學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研發計劃“納米科技”重點專項、北京市科技計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、季華實驗室等資助。
轉自《北京大學新聞網》
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