Vi kan tänka oss att elektrisk ström flyter som en jämn, till och med ström av elektroner genom våra elektroniska enheter, men i kvantskalan kan strömmen av elektrisk ström mer exakt avbildas som en bubblande bäck som innehåller många små krusningar. Dessa krusningar kan orsakas av enelektroneffekter, som uppstår på grund av avstötningen bland elektroner som är begränsade i mycket små utrymmen, såsom fällplatser i transistorer. Enkel-elektroneffekter kan leda till små förändringar i strömspänningsegenskaperna hos dessa enheter.

Eftersom fällplatser i grunden är små defekter som fördelas slumpmässigt på ett okontrollerbart sätt under tillverkningen, numret, plats, och energinivåer för fällplatser skiljer sig åt för varje transistor. Som ett resultat, enelektroneffekter leder till en unik modifiering av strömspänningsegenskaperna, ger effektivt varje transistor ett unikt "fingeravtryck".

Nyligen, forskare har undersökt hur dessa kvantfingeravtryck en dag kan användas som en billig form av ID för att skydda användarnas personliga information för teknik i det växande nätverket av internetanslutna enheter som kallas Internet of Things.

I en ny artikel publicerad i Tillämpad fysikbokstäver , fysiker T. Tanamoto och Y. Nishi på Toshiba Corporation i Kawasaki, Japan, och K. Ono på RIKEN i Saitama, Japan, har visat att enkelelektroneffekter kan detekteras av bildigenkänningsalgoritmer och användas för identifiering och säkerhet av datorchips.

"Än så länge, det finns ingen utbredd applikation för enelektroniska enheter, "Berättade Tanamoto Phys.org . "Vår forskning öppnar ett annat sätt att använda enelektroneffekten:som en säkerhetsanordning. Säkerhetens betydelse ökar dag för dag."

Som fysikerna förklarar, fingeravtrycket på en elektronisk enhet kan ses som en fysiskt oklonbar funktion (PUF). Som ett mänskligt fingeravtryck, PUF är baserade på unika, naturligt förekommande fysiska variationer och kan inte överföras till andra enheter. Dessutom, PUF behåller sina nyckelfunktioner under enhetens livstid, trots viss försämring på grund av åldrande effekter.

I deras arbete, fysikerna tillämpade bildmatchningsalgoritmer för att identifiera olika strömspänningsfunktioner som kallas Coulomb-diamanter. Coulomb-diamanterna är så kallade eftersom regionerna i ett strömspänningsdiagram där strömmen undertrycks av enelektroneffekter ibland har formen av en diamant. När antalet fällplatser ökar, diamantmönstren eftersom de är mer komplexa.

Precis som mänskliga fingeravtryck ändras beroende på förhållanden, som att vara våt, torr, eller fet, Coulomb -diamantbilderna kan också se något annorlunda ut när de mäts under olika förhållanden. Trots dessa variationer, forskarna visade att för närvarande tillgängliga funktionsdetektering och bildmatchningsalgoritmer framgångsrikt kunde extrahera nyckelfunktionerna (t.ex. hörn och kanter) och skilja mellan olika Coulomb-diamanter.

En av fördelarna med metoden är att, även om ett genomsnittligt datorchip idag innehåller mer än en miljard transistorer, bara en enda transistor behövs för att generera fingeravtrycket för hela chipet. Detta gör det möjligt att använda denna metod för praktiska enheter, eftersom endast en transistor behöver mätas.

Å andra sidan, det finns fortfarande utmaningar kvar innan metoden implementeras. För en sak, Coulomb -diamanterna här mättes vid kryogena temperaturer på cirka 1,5 grader över absolut noll. Tidigare forskning har visat att det är möjligt att mäta en-elektroneffekter vid rumstemperatur, men för närvarande kräver denna förmåga dyra tillverkningsprocesser.

I framtiden, fysikerna planerar att utforska andra sätt för fingeravtryckstransistorer. En möjlighet är att mäta spin-qubit beteenden hos elektroner i fällor, eftersom dessa kvantbeteenden förväntas påverkas av fällorna. Som med enelektroneffekter, den unika och slumpmässiga fördelningen av fällor i transistorer förväntas resultera i ett unikt fingeravtryck för varje transistor. Går framåt, forskarna skulle också vilja undersöka sätt att implementera transistors fingeravtryckssäkerhet i framtida kvantdatorer.

"Kvantdatorer är en av de hetaste frågorna just nu, "Tanamoto sa." Vi skulle vilja kombinera vår kvant -PUF i kvantdatorernas säkerhetssystem i framtiden. "

© 2019 Science X Network