基于微纳光子结构物理不可克隆函数的量子认证机理与实现方法

Quantum authentication based on micro/nano photonic structure as physical unclonable function (PUF) is an emerging technique in recent years. The randomness of the fabrication processes of PUF and No-Cloning Theorem of quantum mechanics ensure the authentication security fundamentally, which make this technique have significant potential applications in national defense facilities controling and financial transactions. In this project, we will reveal the principles of quantum transport and evolution of the quantum-state challenge through the PUF and its relationship with the authentication security, understand how the practical system configuration, environmental factors, quantum noises, quantum operation and quantum attacks affect the authentication performances. We will develop the designing and fabrication methods of PUF based on nano-particles embedded strcuture to realize good mechanical and thermal stability. Then we will investigate non-linear PUF by doping, solving the problems of current linear PUFs of low realibility and facing reverse cracking risks. Furthermore, we will develop a series of critical techniques, such as space phase coding technique based on digital micromirror devices (DMD), point by point scanning technique combining DMD and single-photon counter, verification algorithm with enhanced robustness and fault-tolerance, and so on. Based on the above tehniques we will realize experimental demonstration of quantum authentication, and induce the authentication time to several seconds. By the studies of this project, we expect to provide solid foundation for understanding the intrinsic mechanism of quantum authentication and designing related systems fulfilling practical requirements.

基于微纳光子结构物理不可克隆函数（PUF）的量子身份认证是近年来国际上的新兴技术，制备PUF的工艺随机性和量子力学的量子不可克隆原理从本质上保证了认证安全，在国防重要设施操控及金融交易等场合具有重要的应用前景。本项目将揭示量子光激励在微纳光子结构PUF中量子特性的输运演化机制及其与认证安全性的关联，理解实际系统架构、环境因素、量子噪声、量子操作、量子攻击等对认证性能的影响；发展高力热稳定、平均散射自由程可控的PUF的设计制备方法，进一步研究通过掺杂实现新型的非线性PUF的技术途径，解决当前线性PUF可靠性差、存在可能被逆向破解攻击的问题；我们还将研究数字微镜空间相位编码技术、数字微镜结合单光子计数器的单点扫描技术、大容错高鲁棒量子激励响应验证算法等一系列关键技术，最终实现量子认证实验演示并将认证时长缩短到数秒之内。本项目可为理解量子认证的物理实质并设计满足实际需求的认证方案提供重要支撑。

随着电子信息技术的飞速发展，设备、人等通过物联网紧密关联，并结合大数据、AI等技术逐步从“物联”走向“智联”。如何保护在“万物互联”情况下解决人或设备深度伪造问题至关重要。通常采取的身份认证和防伪方法主要包括密码等数字方式，RFID、USB Key等实体方式和面部识别等生物特征方式，在安全性和伦理性方面都面临着巨大的挑战。物理不可克隆函数（PUF）是一种物理实体，具有唯一性、随机性、不可克隆性等特性。将光子技术与PUF结合可以实现量子认证技术，被认为是“下一代的身份认证技术”。本项目立足于国家未来发展对高安全身份认证的重大需求，开展了基于微纳光子结构物理不可克隆函数（PUF）的量子认证机理与实现方法研究。项目组研究了微纳光子PUF在量子光激励下的物理机制，突破了光子PUF量子认证认证协议及攻击模型，提出了新型三维无序介质中光子输运物理模型，为量子认证理论体系建立做出了贡献；发展了高可靠、高稳定、非线性的新型PUF，掌握了PUF各项特性的表征方法，给出适用于实际环境和需求的PUF优化设计方法；研究了高编码容量、低错误率、高稳定鲁棒性的光学PUF量子认证实验方法，突破了响应信号的探测和处理等一系列核心技术并完成实验验证，降低了单个激励-响应对的注册时间以及认证时间，实现了高效、高鲁棒的量子认证实验演示。本项目研究不仅为量子认证走向实际应用奠定坚实基础，对于相关量子技术的发展也具有积极的意义。在本项目的支助下，发表SCI等文章18篇，申请国家专利11项，培养博士、硕士研究生7人。