CN105610584A - 一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，由基底、生长于基底上的透明介质薄膜以及嵌埋于透明介质薄膜中的无序微纳米粒子构成；本发明中嵌埋于透明介质薄膜中的无序微纳米粒子是由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成；相比于采用单种材料微纳米粒子构成的物理不可克隆钥匙，本发明具有更为复杂的微观结构和空间不均匀分布的折射率，可与入射光发生更复杂的相互作用，产生更大认证信息量的散斑，具有更高的安全性；同时，相比于直接由微纳米粒子构成的多孔结构物理不可克隆钥匙，本发明具有更高的稳定性和可靠性，不易受到外界环境干扰和破坏，适用于各种基底，可广泛应用于量子认证与量子密钥分配。

Description

一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙
技术领域
本发明涉及量子认证、身份认、量子密钥分配和防伪领域，具体是指一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙。
技术背景
随着现代社会经济和科技的高速发展，尤其随着大数据时代的到来，智能芯片如磁条卡、无线射频认证卡（IC卡）等在日常生活中的使用越来越普遍，已被广泛应用在我国第二代居民身份证、银行卡、门禁卡、交通卡等众多重要的领域，并且已成为物联网发展的关键技术。但这种基于经典电磁感应原理的IC卡存在着安全隐患，易遭受非法访问、跟踪窃听、伪造篡改、重放攻击等安全威胁。因此，发展下一代安全认证技术已经迫在眉睫。其中，使用物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）实体作为钥匙的量子认证（QuantumSecureAuthentication）以及量子密钥分配（QuantumKeyDistribution）是最新提出的可以从根本上杜绝智能卡被克隆和冒名认证的技术。
物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）是一种独一无二、不可被克隆的物理实体。一个具体的PUF实体是一块无法被精确复制的极其复杂的材料体系，制造过程本身包含有大量的不可控自由度，即便是制造者本人也无法重复制造出另一块完全相同的PUF实体，类似于人的指纹和虹膜，具有优异的独一无二特性。PUF的行为可以看作是一种激励-响应函数，对其输入一个激励（Challenge），会输出一个无法预测的响应（Response），且通过此响应无法反推激励的特性，即表现为物理单向函数（PhysicalOne-WayFunction）。加之PUF具备不可克隆性、唯一性、不可预测性、可重复性、单向性和不可篡改性等属性，使用PUF用于安全认证和密钥分配是一种非常有用技术。
前期提出的量子认证方式，主要采用经典激励-响应方式。尽管PUF本身不可被克隆，但由于激励状态和响应态均可以被明确探知，一旦攻击者窃取了PUF实体或掌握了激励-响应库的信息，那么就可以通过数字模拟攻击进行冒名认证。为了克服经典认证存在的漏洞，研究人员最近提出了利用光学PUF作为钥匙的量子认证系统（Optica,2014,1(6):421-424）。采用量子态激励作用于PUF，所产生的响应也是量子态的。若对此响应进行量子读出（QuantumReadout），即可完成绝对安全的量子认证。由于光的量子特性和量子不可克隆定理（No-CloningTheorem），任何试图截取窃听复制量子激励-响应的行为都会破坏其完整性，这样，攻击者无法冒名认证，从而保证了认证的安全性。
量子认证系统中采用的光学PUF内部包含了大量无序微纳结构，其光学特性（如折射率、吸收系数）也呈现随空间变化的无序分布。与入射光（激励）相互作用（散射、干涉、衍射、吸收等），会产生透射、反射、散射，形成明暗相间的无规则散斑图（SpecklePattern）。光学PUF与量子激励以及量子读出相结合，同时具备物理密钥的不可克隆性与量子不可克隆性，在物理和技术上确保了认证的绝对安全，是最有优势和前途的一种PUF。光学PUF由于可以同时利用其透射响应和反射响应，可同时作为量子认证和量子密钥生成器。
然而，当前使用的光学PUF都是采用单种材料的微纳米粒子形成的多孔结构。一方面，这种单一材料构成的PUF微观结构复杂程度不够，导致与激励光的相互作用的复杂度和包含的信息量不足；另一方面，这种疏松的结构导致PUF力学性能极差、微结构不稳定、易受损坏、与基底粘附性差，而且其比表面积大，对环境中水汽和微尘等杂质吸附性强、化学性能不稳定，实用性不佳。
因此，需要一种微观结构更为复杂多样，稳定性、可靠性更高的物理不可克隆钥匙，以满足量子认证与量子密钥分配的实用化需求。
发明内容
本发明公开了一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，该物理不可克隆钥匙的微观结构更为复杂多样、信息含量更大，具有高稳定性、高可靠性、高实用性的特点。
本发明的技术方案如下：
一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：包括基底、透明介质薄膜和无序微纳米粒子，所述透明介质薄膜位于基底上，透明介质薄膜中嵌埋有若干无序微纳米粒子；所述的无序微纳米粒子是由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成。
所述的基底可以是任意材料的，既可以是透明的，也可以是不透明的；既可以是刚性的，也可以是柔性材料；既可以是平面的，也可以是曲面的。
在单独用作量子认证或量子密钥分配时，可以采用反射信号或透射信号中的一种。当采用反射信号时，可以采用在使用波段反射率高的金属作为基底，如可见波段高反射的金、银、铜、铝、铁等，从而增强反射信号；当采用透射信号时，可以采用在使用波段透过率高的介质基底，如对可见光高透的石英玻璃、蓝宝石、有机玻璃等。在同时作为量子认证和量子密钥分配时，可以同时利用反射信号和透射信号中的一种做量子认证、另一种做量子密钥分配，这时就需要采用在使用波段有透过率的基底。
所述的透明介质薄膜是对使用波段透明的材料，从而确保入射激励光可以在介质内传播。在使用紫外光作为量子安全认证和量子密钥分配的激励时，采用对紫外光透明的材料，如氟化镁、熔石英、三氧化二铝、氮化铝、聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）等；在使用可见光作为量子安全认证和量子密钥分配的激励时，采用对可见光透明的材料，可以是无机材料也可以是有机材料，如二氧化硅、三氧化二铝、聚苯乙烯（简称PS）、聚碳酸酯（简称PC）、PMMA、聚氯乙烯（简称PVC）等；在使用红外光作为量子安全认证和量子密钥分配的激励时，则采用对红外光透明的材料，如硅、锗、金刚石、硫化锌等。其厚度根据实际使用需求，可以从一个波长到一千个波长。例如，对可见波段，厚度就可以从数微米到数百微米。除了为激励光提供透明传播介质外，透明介质薄膜还具有固定和保护无序微纳米粒子的作用，从而提高物理不可克隆钥匙的稳定性、可靠性，并提高无序微纳米粒子与基底的粘附性，确保其实用性。
在使用波段，无序微纳米粒子的折射率和透明介质薄膜不同，从而可以形成折射率不均匀空间分布。所述的多种微纳米粒子既可以同时采用折射率比透明介质薄膜高的材料，也可以同时采用折射率比透明介质薄膜低的材料，还可以同时采用折射率高于和低于透明介质薄膜的多种材料混合。例如，以使用波段633nm为例，若采用三氧化二铝（633nm处折射率1.76）作为透明介质薄膜2，则无序微纳米粒子可以同时采用高折射率的氧化锌（633nm处折射率1.99）、氮化硅（633nm处折射率2.0）和二氧化钛（633nm处折射率2.6）等，或同时采用低折射率的二氧化硅（633nm处折射率1.46）、氟化镁（633nm处折射率1.38）等，也可以同时采用以上高、低折射率材料的混合。无序微纳米粒子的粒径大小在使用波长的量级，其粒径分布在十分之一波长到十倍波长之间。无序微纳米粒子是由多种形状的粒子构成的，可以是球形、椭球形、圆柱形、立方体形、多面体形、无规则形等。这种由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成的物理不可克隆钥匙具有复杂多样的微观结构和折射率不均匀分布，可以与入射光发生复杂的相互作用，从而产生更为复杂的散斑图和更大的认证信息量，从而具有更长的等效密钥和更高的安全性。
本发明的有益效果如下：
1、本发明相比于通常采用单种材料微纳米粒子构成的物理不可克隆钥匙，具有更为复杂多样的微观结构和折射率不均匀分布，可与入射光发生复杂的相互作用，从而产生更为复杂的散斑图和更大的认证信息量，从而具有更长的等效密钥和更高的安全性；
2、本发明相比于通常直接由微纳米粒子构成的多孔结构物理不可克隆钥匙，具有更高的稳定性和可靠性，不易受到外界环境的干扰和破坏，具备真正的实用性，可广泛应用于量子认证与量子密钥分配；
3、本发明适用性较强，适用于包括柔性基底、曲面基底在内的各种基底。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1为基底；2为透明介质薄膜；3为无序微纳米粒子。
图2为一种针对近紫外波段，采用紫外透明基底、紫外透明介质、折射率高于和低于紫外透明介质的三种无序微纳米粒子混合的物理不可克隆钥匙结构示意图；
其中：21为熔融石英玻璃基底；22为PMMA透明介质；23为氟化镁微纳米粒子；24三氧化二铝微纳米粒子；25氮化铝微纳米粒子。
图3为一种针对可见波段，采用可见透明基底、低折射率透明介质和两种高折射率无序微纳米粒子的物理不可克隆钥匙结构示意图；
其中：31为蓝宝石基底；32为二氧化硅薄膜；33为氧化锌微纳米粒子；34为二氧化钛微纳米粒子。
图4为一种针对红外波段，采用红外透明基底、高折射率透明介质和两种低折射率无序微纳米粒子的物理不可克隆钥匙结构示意图；
其中：41为硅片基底；42为锗薄膜；43为硫化锌微纳米粒子；44为氟化钙微纳米粒子。
具体实施方式
如图1所示，一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，包括基底、透明介质薄膜和无序微纳米粒子，所述透明介质薄膜位于基底上，透明介质薄膜中嵌埋有若干无序微纳米粒子；所述的无序微纳米粒子是由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成。
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
如图2所示，一种针对近紫外波段，采用紫外透明基底、紫外透明介质、折射率高于和低于紫外透明介质的三种无序微纳米粒子混合的物理不可克隆钥匙。
此物理不可克隆钥匙组成如下：
以1mm厚的石英玻璃为基底，以5μm厚的PMMA（350nm处折射率1.51）作为透明介质，以粒径在35nm～3500nm之间，形状为球状、椭球状、圆柱状、立方状、多边形状的氟化镁（350nm处折射率1.387）、三氧化二铝（350nm处折射率1.8）和氮化铝（350nm处折射率2.2）作为无序微纳米粒子。其结构示意图如附图3所示。
这种结构的物理不可克隆钥匙制备方法如下：
将氟化镁、三氧化二铝和氮化铝微纳米粒子混合进熔融态的PMMA（熔点约200℃）中进行搅拌，然后喷涂于石英玻璃基底上，控制喷涂量使其厚度为5μm。
实施例2
如图3所示，一种针对可见波段，采用可见透明基底、低折射率透明介质和两种高折射率无序微纳米粒子的物理不可克隆钥匙。
此物理不可克隆钥匙组成如下：
以1mm厚的蓝宝石片（633nm处折射率1.76）为基底，以30μm厚的二氧化硅薄膜（633nm处折射率1.46）作为透明介质，以粒径在60nm～6000nm之间，形状为球状、椭球状、立方状、多边形状的氧化锌（633nm处折射率1.99）和二氧化钛（633nm处折射率2.6）作为无序微纳米粒子。其结构示意图如附图4所示。
这种结构的物理不可克隆钥匙制备方法如下：
将氧化锌和二氧化钛微纳米粒子的分散液混合，喷涂于蓝宝石基底上，控制喷涂量使其厚度为30μm，然后采用CVD法或ALD法在其上生长二氧化硅薄膜，将微纳米粒子间的空隙填充。
实施例3
如图4所示，一种针对红外波段，采用红外透明基底、高折射率透明介质和两种低折射率无序微纳米粒子的物理不可克隆钥匙。
此物理不可克隆钥匙组成如下：
以1mm厚的硅片（4μm处折射率3.42，融点1410℃）为基底，以50μm厚的锗薄膜（4μm处折射率4.02，融点938℃）作为透明介质，以粒径在0.4μm～10μm之间，形状为球状、椭球状、立方状、多边形状的硫化锌（4μm处折射率2.25，融点1700℃）和氟化钙（4μm处折射率1.35，融点1400℃）作为无序微纳米粒子。
这种结构的物理不可克隆钥匙制备方法如下：
将硫化锌和氟化钙微纳米粒子混合进熔融态的锗中进行搅拌，然后喷涂于蓝宝石基底上，控制喷涂量使其厚度为50μm。

Claims (10)

1.一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：包括基底（1）、透明介质薄膜（2）和无序微纳米粒子（3），所述透明介质薄膜（2）位于基底（1）上，透明介质薄膜（2）中嵌埋有若干无序微纳米粒子（3）；所述无序微纳米粒子（3）是由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述的基底（1）采用透明材料或不透明材料；同时，所采用的材料是刚性材料，或者柔性材料；同时，所述基底（1）是平面，或者曲面。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述基底（1）采用在使用波段反射率高的金属。
4.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述基底（1）采用在使用波段透过率高的介质材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述基底（1）采用在使用波段有透过率的介质材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述透明介质薄膜（2）采用对使用波段透明的材料。
7.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述透明介质薄膜（2）的厚度范围为：从一个波长到一千个波长。
8.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：在使用波段，所述无序微纳米粒子（3）的折射率和透明介质薄膜（2）不同，形成折射率不均匀空间分布。
9.根据权利要求8所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述无序微纳米粒子（3）采用在使用波段折射率均比透明介质薄膜（2）在使用波段折射率高的材料；或者，所述无序微纳米粒子（3）采用在使用波段折射率均比透明介质薄膜（2）在使用波段折射率低的材料；或者，所述无序微纳米粒子（3）包括在使用波段折射率比透明介质薄膜（2）在使用波段折射率高的材料和在使用波段折射率比透明介质薄膜（2）在使用波段折射率低的材料。
10.根据权利要求1所述的一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：所述无序微纳米粒子（3）的粒径大小在使用波长的量级，其粒径分布在十分之一波长到十倍波长之间；所述无序微纳米粒子（3）是由多种形状的粒子构成的，所述粒子的形状为球形、椭球形、圆柱形、立方体形、多面体形、不规则形中的一种或多种。
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