Ученые ИТМО разработали новый способ защиты микроэлектронных устройств от подделок. В основе технологии — наночастицы золота и кремния, чьи уникальные оптические свойства позволяют создавать неклонируемые защитные метки с рекордной плотностью хранения информации. Такие метки могут быть использованы не только для защиты микроэлектроники, но и для генерации криптографических ключей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Визуализация разработки. Фото предоставлено учеными

Современные защитные метки, применяемые в микроэлектронике, банковской сфере и индустрии люксовых товаров, создают при помощи голограмм, водяных меток, УФ-чернил. Такие метки можно легко и в неограниченном количестве воспроизводить при наличии необходимых инструментов, поэтому все они имеют короткий срок жизни, и специалистам приходится использовать большое количество различных голограмм для обеспечения защиты.

В связи с этим ученые создают метки, основанные на системах со случайными структурными особенностями, неконтролируемо возникающими в процессе их производства. В качестве примера подобных систем можно рассмотреть паттерн из произвольно разбросанных частиц. Единственный способ подделать такие метки — это кропотливо «собрать» такой же паттерн вручную, например, с помощью нанопинцета.

Чтобы сделать метки еще более надежными, ученые стремятся уменьшать характерные размеры их случайных структурных особенностей вплоть до наномасштабов. Иными словами, они работают над созданием все более миниатюрных паттернов из частиц, а также исследуют частицы со случайными особенностями, такими, как форма и внутренняя структура. Подобный переход в наномасштабы позволит кодировать большее количество информации, а значит, создавать более емкие источники криптографических ключей. Однако такие нанометки будет сложно считывать не только мошенникам, но и ученым, ведь существующие оптические микроскопы недостаточно мощные, чтобы идентифицировать настолько крошечные паттерны.

Ученые из ИТМО совместно с коллегами из Университета Лотарингии (Франция) и Нового университета Узбекистана решили отказаться от прямого визуального анализа защитных меток через микроскоп. Вместо этого физики предложили считывать информацию с метки при помощи оптического сигнала фотолюминесценции. Для этого исследователи случайным образом нанесли гибридные наночастицы на основе золота и кремния на подложку, посветили на них лазером и измерили спектральные характеристики наночастиц. Оказалось, что каждая частица излучает свет с уникальным спектром, зависящим от ее внутренней структуры. Такой «световой отпечаток» невозможно подделать, ведь даже если попытаться воспроизвести расположение наночастиц, повторить их оптические свойства не получится. По сути, внутренняя структура этих частиц автоматически кодирует спектральные характеристики, считываемые при идентификации метки.

Новый метод позволил обойти оптические ограничения и достичь высокой плотности хранения уникальной информации в этих метках — 930 бит на один квадратный микрометр, а это минимум на 2-3 порядка выше, чем в других работах. Такой подход открывает возможности не только для защиты от подделок, но и для создания истинно случайных криптографических ключей.                                 

«Суть нашего метода в том, чтобы с помощью спектрометра измерять сигнал каждой конкретной частицы и получать уникальные спектры: у каждого из них особая форма, интенсивность и другие характеристики, которые тесно связаны с внутренней структурой и расположением частиц. Метки на основе нового метода могут быть использованы для защиты микроэлектроники, а также в аппаратной криптографии для генерации случайных ключей. В будущем мы планируем разрабатывать неклонируемые метки, использующие более простые методы считывания, такие как радиочастотная идентификация (RFID) и NFC», — рассказал первый автор статьи, сотрудник научной  Нового физтеха ИТМО Мартин Сандомирский. Исследование велось под руководством ведущего научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Дмитрия Зуева.

Также в своей работе ученые предложили концепцию оптического токена для верификации — «оптической флешки», которая генерирует одноразовые пароли на основе уникальных спектральных характеристик. В будущем такие токены можно можно будет использовать в оптических компьютерах для создания сверхзащищенных систем верификации.

Журналист

Елизавета Кокорина