随着存储在设备中并在互联网上共享的数据量不断增加，全世界的计算机科学家正试图设计新的方法来保护通信安全和敏感信息。一些最成熟和最有价值的方法是密码技术，其本质上是加密（即转换）两方或多方之间交换的数据和文本，以便只有发送方和接收方可以查看其原始形式。
物理不可压缩功能（PUF），利用设备制造过程中不可避免引入的“随机缺陷”的设备，为物理实体提供独特的“指纹”（即信任锚）。近年来，这些设备被证明在创建密码密钥方面特别有价值，密码密钥一经使用就会立即被删除。
北京大学和吉华实验室的研究人员最近介绍了一种新的密码原语生成系统，该系统由两个相同的基于定向碳纳米管阵列的PUF组成。该系统在《自然电子》（Nature Electronics）上发表的一篇论文中介绍，可以帮助更可靠地保护通信安全，克服先前提出的PUF设备的一些漏洞。
“经典密码学使用密码算法和密钥来加密或解密信息，最流行的策略是Rivest、Shamir和Adleman（RSA）加密，”进行该研究的研究人员之一张告诉TechXplore。“在非对称算法中，任何人都可以访问公钥，但公钥破解需要分解非常大的数，这对于经典计算机来说是极其困难的。然而，数学上已经证明，使用量子计算机可以在多项式时间内完成这项任务。”
当今最常用的加密策略之一是对称加密，它与参与特定对话的所有用户共享相同的“密钥”进行加密和解密。这些策略通常将密钥存储在非易失性内存中，易受物理和侧通道网络攻击。
近年来，研究人员一直在探索其他加密方法，包括量子密钥分配（QKD）。量子密钥分配方法利用根植于量子理论的概念来保护通信。具体来说，它们在测量量子系统时利用了影响量子系统的固有扰动。
QKD在检测第三方试图获取保护通信的密钥时特别有效。虽然一些QKD策略已经取得了显著的效果，但它们通常需要复杂且昂贵的硬件。
“为了实现低成本和基于硬件的安全通信，我们引入了一种新技术，双物理不可闭合功能（PUF）”，张说。“PUF背后的基本思想是利用小规模制造工艺变化引起的物理实体中存在的随机物理缺陷，这些缺陷即使是原始制造商也无法预测或克隆。”
由于其独特的设计，PUF设备不可闭合且不可预测。这使得它们在生成用于加密的安全密钥方面非常有效。
然而，当使用PUF来保护通信安全时，它们产生的密钥需要写入非易失性存储器中，并与不拥有PUF设备的其他对话参与者共享。因此，这些存储的密钥容易受到攻击。
张和他的同事最近的工作的主要目标是克服PUF设备在确保通信安全方面的这一局限性。为了做到这一点，他们没有克隆现有的PUF，而是尝试创建两个相同（孪生）的PUF。
张解释说：“我们基于排列的碳纳米管阵列制作了双物理不可闭合函数（PUF）。”。“首先，我们在石英衬底上生长了定向碳纳米管阵列。一方面，在石英晶格-碳纳米管相互作用的诱导下，碳纳米管阵列沿着[2-1-1 0]方向生长几百微米的晶体取向，确保碳纳米管阵列的性能与生长方向平行。另一方面，碳纳米管阵列具有随机特性，如手性和位置，垂直于碳纳米管生长方向。”
为了制造这种器件，张和他的同事在碳纳米管阵列上制造了两排场效应晶体管。他们使用了三种具有不同电特性的通道类型的晶体管，即包含一些金属碳纳米管（M）、纯半导体碳纳米管（S）和完全没有碳纳米管（O）的通道。
张说：“由于碳纳米管在通道中的位置和类型是由随机成核和随机催化剂分布决定的，所以在碳纳米管阵列上制备了场效应管。”。同时，在同一碳纳米管阵列上并联制作的两排场效应管显示相同阶数的O、S和M型，因此可以一起制作两个相同的PUF（双PUF）
张和他的同事最初设计了一个模型，使他们能够研究puf与碳纳米管阵列和器件尺寸之间的关系。该模型允许他们优化其PUF的随机性和熵。
张说：“我们发现碳纳米管间距（CP）符合对数正态分布，这得到了我们以不同密度生长的其他碳纳米管样品以及其他研究小组公布的样品的验证。”。
使用模拟和他们创建的模型作为参考，研究人员优化了他们的设计，并创建了碳纳米管间距为0.65的碳纳米管阵列卤0.58渭然后，他们使用这些阵列创建了具有理想三值位的PUF原型。
“我们总共制造了1600个FET，沟道宽度为600 nm，以产生40脳“40个三值位映射，其中分别计算了532、516和552个O、S和M位，”张说。“我们的PUF还表现出高度的随机性、一致性、唯一性、不可预测性和可靠性。”
在他们的实验中，研究人员成功地使用了他们的双puf来实现容错密码。由于与碳纳米管生长相关的缺陷，包括手性转变、催化剂条纹之间存在破裂管和错位，该团队的双PUF最初显示出非完美的一致性。这意味着加密和解密过程可能会引入错误的位，从而导致高误比特率（BER）。
“为了降低误码率，我们设计了容错密码，其中包含多个密钥位(鈮?, “奇数）用于将一个纯文本位加密为多个密文位，对多个密文位进行解密，然后通过多数投票生成一个纯文本位，”张说。“误码率呈指数级下降，容错数的一致性大于80%。在我们的一致性为95%的双PUF中，当容错数达到29时，误码率可以降低到万亿分之一。”
在未来，该研究团队开发的双PUFs设备可能有助于更可靠地实现大规模通信。在接下来的研究中，张和他的同事希望进一步改进他们的设备，例如优化他们最近工作中使用的材料。
张补充道：“我们计划提高石英基板的清洁度和碳纳米管生长过程中的气流稳定性，这可以减少断管和手性变化的发生。”。“在本文中，我们使用了一个全局底门，但我们现在也计划将其改为顶门结构，以实现较小的操作电压，并易于与其他电路集成。最后，虽然到目前为止，我们使用了一个探测站来逐个测试我们的PUF单元，但下一步将是将我们的双PUF与外围电路集成，这样可以自动实现信息加密。”
漏 2022年科学X网络