刘俊/田禾/Mario Lanza团队CRPS：量子传感效应开创硬件加密全新模式

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

中北大学刘俊团队联合清华大学田禾、阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza等通过设计电子自旋三种高精度量子传感效应，提出一种全新五维动态防伪加密技术，首次实现了商品全生命周期的状态信息保护。2024年4月17日，该研究成果以“A 5D, dynamic, spin physical unclonable function device”为题，发表于Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science。论文第一作者为郭浩、秦岳、刘晏铭；通讯作者为郭浩、Mario Lanza、唐军、田禾、刘俊。

研究背景

防伪加密技术在通信、网络、商品等信息安全领域具有不可替代的作用，然而现有的硬件防伪加密编码方式依赖于结构形状参数，导致编码模式单一，编码维度止步不前。而且，结构参数固化式编码模式无法进行商品全生命周期的状态信息实时防伪加密，信息安全问题面临严峻挑战。

研究亮点

设计自旋结构三种高精度量子传感效应创建PUF五维加密维度；

Spin-PUF质询响应对（CRPs）数量创纪录达到4097；

首次实现对产品全生命周期状态信息防伪加密。

图1. 5D spin-PUF概念。

本文要点

要点一：5D spin-PUF的机理与实现方案

基于电子自旋结构的三种量子传感效应（磁场、温度和微波），设计构建与传感效应关联的轴向、浓度和分布参数随机的电子自旋编码单元，通过精密调控量子传感效应进行信息编码开创出全新三个全新编码维度。结合X和Y空间维度，实现五维编码，突破了现有编码维度极限，使CRPs数量指数增长。

图2. 5D spin-PUF机理与实现方案。

要点二：5D spin-PUF的激光诱导纳米制造

开发了激光直写分子链选择性交联合成碳化硅晶体方法，以及空位色心自旋结构飞秒激光制造技术。研制了内含数量/分布/轴向等随机自旋结构的SiC纳米晶spin-PUF。利用自旋光探测磁共振技术测试得到其编码容量创纪录达到1027310000。组间/组内汉明距离和自相关系数分别证明了其独特性、稳定性和空间独立性。

图3. 5D spin-PUF制造与表征。

要点三：5D spin-PUF的应用演示

利用spin-PUF编码维度对产品三个维度信息加密，通过数据库认证和产品信息分析。实现了对产品全生命周期的交易次数、维修次数和损耗等三种状态信息的实时动态防伪。

图4. 5D spin-PUF应用演示。

小结

5D spin-PUF是一种全新多维度、大容量和动态防伪加密技术，也是产品价值全生命周期防伪的全新策略，有望成为下一代信息安全加密的全新模式。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science

▌论文标题：

A 5D, dynamic, spin physical unclonable function device

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424001735

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101924

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