每個晶體管都有獨特的量子指紋但能被用作身份證的形式嗎

可以把電流想象成流過電子設備的平滑、均勻電子流,但在量子尺度上,電流的流動可以更準確地描繪成一條包含許多微小波紋的潺潺小溪。這些波紋可能是由單電子效應引起的,單電子效應是由于電子之間的排斥作用而產生,

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可以把電流想象成流過電子設備的平滑、均勻電子流,但在量子尺度上,電流的流動可以更準確地描繪成一條包含許多微小波紋的潺潺小溪。這些波紋可能是由單電子效應引起的,單電子效應是由于電子之間的排斥作用而產生,這種排斥作用被限制在非常小的空間內,例如晶體管中的陷阱位置。單電子效應可讓這些器件的電流電壓特性發生微小變化。由于陷阱位置基本上是微小的缺陷。這些缺陷在制造過程中以一種無法控制的方式隨機分布。

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因此每個晶體管陷阱位置的數量、位置和能級都不同。同時單電子效應導致電流電壓特性的獨特改變,有效地給每個晶體管一個獨特的“指紋”。現在研究人員一直在研究這些量子指紋有朝一日可能如何被用作一種廉價的身份識別形式,以保護用戶的個人信息,為物聯網(Internet of Things)這一新興互聯設備網絡提供技術支持。日本物理學家T. Tanamoto和Y. Nishi以及日本崎玉理研的K. Ono在《應用物理快報》上發表的研究證明:

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單電子效應可以通過圖像識別算法檢測出來,并用于計算機芯片識別和安全。到目前為止,單電子器件還沒有廣泛的應用,新研究研究開啟了利用單電子效應的另一種方式:作為一種安全裝置,因為安全的重要性與日俱增。正如物理學家所描述的那樣,電子設備指紋可以被認為是一種物理上不可用的函數(PUF)。與人類指紋一樣,puf基于獨特、自然發生的物理變化,不能傳輸到其他設備上。此外,PUFs在整個設備的生命周期中都保留了它們的關鍵特性,盡管由于老化的影響會導致一些退化。

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在研究中,物理學家應用圖像匹配算法來識別不同的電流-電壓特性,稱為庫侖鉆石。庫侖鉆石之所以如此命名,是因為電流-電壓圖中電流受單電子效應抑制的區域有時具有鉆石的形狀。隨著圈閉點數量的增加,鉆石的花紋也因復雜而增多。正如人類的指紋會隨著環境的不同而變化,例如潮濕、干燥或油性,庫侖鉆石圖像在不同的條件下測量時也會略有不同。盡管存在這些差異,研究人員證明,目前可用的特征檢測和圖像匹配算法能夠成功地提取關鍵特征(如角和邊),并區分不同的庫侖鉆石。

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這種方法的優點之一是,盡管現在一個普通計算機芯片包含超過10億個晶體管,但是只需要一個晶體管就可以為整個芯片生成指紋,這使得將這種方法應用于實際器件成為可能,因為只需要測量一個晶體管。另一方面,在實現該方法之前仍然存在一些挑戰。首先,庫侖鉆石是在絕對零度以上1.5度左右的低溫下測量。以前的研究表明,在室溫下測量單電子效應是可能的,但目前這種能力需要昂貴的制造工藝。

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在未來,物理學家們計劃探索其他方式的指紋晶體管,一種可能性是測量陷阱中電子自旋量子位行為,因為這些量子行為預計會受到陷阱的影響。與單電子效應一樣,晶體管中陷阱的獨特和隨機分布將導致每個晶體管具有獨特指紋。展望未來,研究人員還希望研究如何在未來的量子計算機中實現晶體管指紋安全。量子計算機是目前最熱門的話題之一,研究人員希望將來能將其自己研究的量子PUF系統整合到量子計算機安全系統中。

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參考期刊《應用物理快報》

DOI: 10.1063/1.5100644

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