Специалисты ИТМО предложили инновационный метод защиты микроэлектронных компонентов от контрафактной продукции. Технология основана на использовании наночастиц золота и кремния, обладающих особыми оптическими характеристиками, которые позволяют формировать уникальные защитные метки с максимальной плотностью хранения данных. Эти метки могут применяться не только для защиты микроэлектроники, но и для создания криптографических ключей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Защитные метки, используемые сегодня в микроэлектронике, банковском секторе и индустрии предметов роскоши, формируются с помощью голограмм, водяных знаков и УФ-чернил. Поскольку для их воспроизведения, при наличии подходящего оборудования, не требуется значительных усилий и возможно создание неограниченного количества копий, срок их действия ограничен, и экспертам приходится применять широкий спектр голограмм для поддержания эффективности защиты.
Учитывая это, исследователи разрабатывают метки, использующие системы со случайными структурными характеристиками, которые возникают непредсказуемо в ходе их изготовления. Ярким примером таких систем является узор, состоящий из хаотично расположенных частиц. Для фальсификации этих меток потребуется кропотливая ручная имитация подобного узора, например, с использованием нанопинцета.
Ученые работают над повышением надежности меток, стремясь минимизировать размеры случайных структурных дефектов до наномасштабов. Это предполагает создание все более миниатюрных структур из частиц и изучение частиц с нерегулярными характеристиками, такими как форма и внутренняя организация. Переход к наномасштабам позволит увеличивать объем кодируемой информации, что приведет к созданию более вместительных источников криптографических ключей. Однако считывание таких нанометкок представляет собой сложную задачу не только для злоумышленников, но и для исследователей, поскольку существующие оптические микроскопы не обеспечивают достаточной мощности для распознавания столь малых структур.
Ученые из ИТМО в сотрудничестве с исследователями из Университета Лотарингии (Франция) и Нового университета Узбекистана решили не использовать прямой визуальный анализ защитных меток с помощью микроскопа. Вместо этого физики предложили метод считывания информации с метки посредством оптического сигнала фотолюминесценции. Для этого исследователи случайным образом наносили гибридные наночастицы, состоящие из золота и кремния, на подложку, облучали их лазером и измеряли спектральные характеристики этих наночастиц. Результаты показали, что каждая частица излучает свет с уникальным спектром, который определяется ее внутренней структурой. Этот «световой отпечаток» трудно подделать, поскольку даже при воспроизведении расположения наночастиц повторить их оптические свойства не удастся. Фактически, внутренняя структура этих частиц автоматически кодирует спектральные характеристики, необходимые для идентификации метки.
Использование нового подхода позволило преодолеть оптические ограничения и обеспечить высокую плотность хранения уникальной информации в этих метках, достигнув 930 бит на квадратный микрометр — это на 2-3 порядка превышает показатели, представленные в других исследованиях. Данная технология открывает перспективы не только для противодействия фальсификациям, но и для генерации действительно случайных криптографических ключей.
«Наш метод заключается в измерении сигнала каждой частицы с помощью спектрометра, что позволяет получать уникальные спектры. Каждый спектр характеризуется особой формой, интенсивностью и другими параметрами, отражающими внутреннюю структуру и расположение частиц. Разработанные нами метки могут быть применены для защиты микроэлектроники, а также в аппаратной криптографии для создания случайных ключей. В дальнейшем мы намерены разрабатывать метки, которые невозможно скопировать, и которые будут использовать более простые способы считывания, такие как радиочастотная идентификация (RFID) и NFC» , — пояснил первый автор исследования, научный сотрудник группы гибридных нанофотонных систем Нового физтеха ИТМО Мартин Сандомирский. Руководителем исследования выступил ведущий научный сотрудник ИТМО и Нового физтеха Дмитрия Зуева.
В рамках исследования ученые представили концепцию оптического токена для подтверждения подлинности – «оптической флешки», создающей одноразовые пароли, основанные на уникальных спектральных свойствах. В перспективе такие токены могут найти применение в оптических компьютерах для разработки систем верификации с повышенной степенью защиты.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО