一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子認(rèn)證、量子密鑰分配、身份認(rèn)證和防偽領(lǐng)域，具體是指一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法。
技術(shù)背景
[0002]眾所周知，智能1C卡已被廣泛應(yīng)用在身份證、銀行卡、門禁卡、交通卡等眾多重要的領(lǐng)域，但這種基于經(jīng)典電磁感應(yīng)原理的1C卡存在著安全隱患，易遭受非法訪問、跟蹤竊聽、偽造篡改、重放攻擊等安全威脅。近年來，已有多起銀行卡信息外泄和支付卡遭黑客竊取等惡性事件發(fā)生。因此，發(fā)展下一代身份安全認(rèn)證技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。其中，使用物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Funct1n，PUF)實(shí)體作為鑰匙的量子安全認(rèn)證(Quantum Secure Authenticat1n)以及量子密鑰分配(Quantum Key Distribut1n)是最新提出的可以從根本上杜絕智能卡被克隆和冒名認(rèn)證的技術(shù)。
[0003]物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Funct1n，PUF)是一種獨(dú)一無二、不可被克隆的物理對(duì)象。因?yàn)槠渲圃爝^程本身包含有大量的不可控自由度，即便是制造者本人也無法重復(fù)制造出一塊完全相同的PUF實(shí)體，這就類似于人的指紋和虹膜。PUF可以看作是一個(gè)物理的激勵(lì)-響應(yīng)函數(shù)，對(duì)其輸入一個(gè)激勵(lì)，利用物理實(shí)體不可避免的固有物理構(gòu)造上的隨機(jī)差異，會(huì)輸出一個(gè)不可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，其行為表現(xiàn)為物理單向函數(shù)(Physical One-WayFunct1n)。由于PUF具備不可克隆性、唯一性、不可預(yù)測(cè)性、可重復(fù)性、單向性和不可篡改性等屬性，使用PUF用于安全認(rèn)證和密鑰分配是一種非常有用技術(shù)。
[0004]已經(jīng)報(bào)道的PUF主要分為光學(xué)PUF、電學(xué)PUF、紙PUF、CD PUF等幾種形式。其中，光學(xué)PUF是至今為止唯一被證明具有數(shù)學(xué)不可克隆性的PUF，還可與量子態(tài)的激勵(lì)-響應(yīng)結(jié)合，使認(rèn)證系統(tǒng)同時(shí)具備物理密鑰的不可克隆性與激勵(lì)-響應(yīng)的量子不可克隆性，在物理和技術(shù)上確保了認(rèn)證的絕對(duì)安全，是當(dāng)前最安全最具前途的PUF形式。光學(xué)PUF內(nèi)部包含了大量無序微納結(jié)構(gòu)，其光學(xué)特性(如折射率、吸收系數(shù))隨空間變化呈無序分布。入射光(激勵(lì))在進(jìn)入PUF時(shí)，由于受微納結(jié)構(gòu)的散射、干涉、衍射、吸收等相互作用，會(huì)產(chǎn)生明暗相間的無規(guī)則散斑圖，從而可作為響應(yīng)。此外，通常光學(xué)PUF既有透射響應(yīng)又有反射響應(yīng)，因此可同時(shí)作為量子認(rèn)證和量子密鑰生成器。
[0005]然而，當(dāng)前使用的光學(xué)PUF都是有基底的結(jié)構(gòu)，體積大、使用不夠靈活方便，尤其在集成微系統(tǒng)中兼容性很差。在實(shí)際應(yīng)用中，往往更需要一種穩(wěn)定可靠的自支撐結(jié)構(gòu)，以便于將其轉(zhuǎn)移到各種基底上或嵌入安全認(rèn)證卡片或直接集成在微芯片系統(tǒng)中，滿足量子認(rèn)證與量子密鑰分配靈活多樣化的實(shí)際需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法，旨在通過一種成本低、簡便易行的制備方法制備得到一種穩(wěn)定可靠、靈活實(shí)用、可轉(zhuǎn)移使用的物理不可克隆鑰匙，以克服在集成微系統(tǒng)中兼容性很差的缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中能滿足量子認(rèn)證與量子密鑰分配靈活多樣化的實(shí)際需求。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種自支撐物理不可克隆鑰匙的制備方法，包括以下步驟:
首先，在基底上生長一層脫膜劑。
[0008]其次，在脫膜劑層上生長由無序微納米顆粒嵌埋于透明介質(zhì)形成的復(fù)合膜。
[0009]再次，采用溶劑將脫膜劑溶掉。若采用可溶性基底，則也可以直接將基底溶掉。
[0010]最后，將溶劑中脫離下來的無序微納米顆粒嵌埋于透明介質(zhì)的復(fù)合膜取出干燥，即可得到自支撐物理不可克隆鑰匙。
[0011]所述的脫膜劑是可溶性材料，可以采用似(:1、1((:1、8&(:12、211(:12、祖(:12、似1、1(1、Bal2等易溶于水的金屬鹵化物，也可采用蔗糖和丙氨酸等易溶于水的有機(jī)材料，還可以采用光刻膠、火棉膠等易溶于有機(jī)溶劑的材料。
[0012]所述的基底可以是任意材料的，既可以是可溶性的也可以是不可溶性的，若是可溶性材料的基底，則基底本身就是脫膜劑。
[0013]可采用如下三種方法制備所述復(fù)合膜:
第一種方法，將微納米顆?；旌线M(jìn)可固化的透明液體中，進(jìn)行攪拌分散，然后通過噴涂、旋涂或浸拉法生長到有脫膜劑的基底上，最后進(jìn)行固化，形成嵌埋結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。
[0014]第二種方法，采用溶膠-凝膠法，先將微納米顆粒混合進(jìn)用來制備透明介質(zhì)的溶膠前驅(qū)液中，然后通過噴涂、旋涂或浸拉法生長到有脫膜劑的基底上，凝膠得到嵌埋結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。
[0015]第三種方法，將微納米顆粒分散液直接噴涂或旋涂到生長脫膜劑的基底上，待其干燥后形成多孔結(jié)構(gòu)，然后在其上采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或原子層沉積法(ALD)生長透明介質(zhì)，將孔隙填充，形成嵌埋結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜。
[0016]通過上述方法制備得到的一種自支撐物理不可克隆鑰匙，包括若干無序微納米顆粒和透明介質(zhì)，若干無序微納米顆粒嵌埋于透明介質(zhì)中，并形成復(fù)合膜。其中:
所述無序微納米顆粒是由折射率與透明介質(zhì)不同的材料構(gòu)成，其粒徑大小在使用波長的量級(jí)，分布在十分之一波長到十倍波長之間。以隨機(jī)無序狀態(tài)嵌埋于透明介質(zhì)中，形成波長量級(jí)的折射率不均勻空間分布，構(gòu)成強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)。無序微納米顆?？梢杂蓡畏N材料、單種粒徑、單種形狀的微納米顆粒混合構(gòu)成，也可以由多種材料、多種粒徑、多種形狀的微納米顆?；旌蠘?gòu)成。優(yōu)選的，采用多種材料、多種粒徑、多種形狀混合的微納米顆?；旌?，以增加物理不可克隆鑰匙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其與激勵(lì)光的相互作用更加復(fù)雜，具有更高的不可克隆性。
[0017]所述透明介質(zhì)采用對(duì)使用波段透明的材料，可以是平面的也可以是曲面的；透明介質(zhì)的厚度根據(jù)實(shí)際使用需求，可以從一個(gè)使用波長到一千個(gè)使用波長。可以采用二氧化硅、三氧化二鋁、氮化鋁、氟化鎂、氟化鈣、溴化鉀等無機(jī)物，也可以采用紫外固化膠、熱固化膠、聚氯乙烯(簡稱PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)等無機(jī)物。透明介質(zhì)在作為光傳導(dǎo)介質(zhì)的同時(shí)，還具有固定和保護(hù)無序微納米顆粒的作用，以確保物理不可克隆鑰匙的力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，使其具備自支撐的能力。
[0018]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明制備得到的自支撐物理不可克隆鑰匙采用微納米顆粒嵌埋于透明介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，具有高穩(wěn)定性和高可靠性，適合于做自支撐結(jié)構(gòu)；
該自支撐物理不可克隆鑰匙體積小，不受基底限制，既可以轉(zhuǎn)移到各種基底上使用，也可以鑲嵌進(jìn)傳統(tǒng)安全認(rèn)證卡片中或可直接應(yīng)用于高度集成化的量子安全認(rèn)證與量子密鑰分配微芯片系統(tǒng)中；
提出的制備方法成本低、簡便易行，具備真正的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:11為無序微納米顆粒;12為透明介質(zhì)。
[0020]圖2為本發(fā)明的制備方法流程示意圖
其中:1為無序微納米顆粒，2為透明介質(zhì)，3為脫膜劑，4為基底。
[0021]圖3為本發(fā)明制備得到基于二氧化鈦(Ti02)和氧化鋅(ZnO)混合無序微納米顆粒和紫外固化膠透明介質(zhì)的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:21為二氧化鈦和氧化鋅混合無序微納米顆粒;22為紫外固化膠透明介質(zhì)；23為KC1脫膜劑;24為石英基底。
[0022]圖4為本發(fā)明制備得到基于鈦酸鋇(BaTi03)無序微納米顆粒和氮化鋁(A1N)透明介質(zhì)的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:31為鈦酸鋇無序微納米顆粒;32為氮化鋁透明介質(zhì);33為AZ4620光刻膠脫膜劑； 34為硅片基底。
[0023]圖5為本發(fā)明制備得到基于磷化鎵(GaP)、二氧化鈦(Ti02)和鈦酸鋇(BaTi03)混合無序微納米顆粒及二氧化硅(Si02)透明介質(zhì)的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:41為磷化鎵、二氧化鈦和鈦酸鋇混合無序微納米顆粒;42為二氧化硅透明介質(zhì)； 43為氯化鈉基底。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖2所示，一種自支撐物理不可克隆鑰匙的制備方法，包括以下步驟:
首先，在基底上生長一層脫膜劑。
[0025]其次，在脫膜劑層上生長由無序微納米顆粒嵌埋于透明介質(zhì)形成的復(fù)合膜。
[0026]再次，采用溶劑將脫膜劑溶掉。若采用可溶性基底，則也可以直接將基底溶掉。
[0027]最