Непосвященные люди считают, что электрический ток течет совершенно одинаково через одинаковые компоненты наших электронных устройств. Однако, на квантовом уровне электрический ток может быть изображен, как текущий ручей, поверхность которого покрыта тонкой рябью, которая возникает из-за отталкивания электронов и других квантовых явлений в “узких местах” или местах дефектов, возникающих в структуре компонентов на этапе производства. Такие квантовые эффекты, в которых задействованы единичные электроны, приводят к незначительным изменениям вольтамперных характеристик устройств, которые представляют собой уникальный для каждого устройства “квантовый отпечаток пальца”.
Поскольку материал, из которого изготавливаются транзисторы, искусственно наполнен дефектами, распределенными достаточно беспорядочным образом, то количество, местоположение и энергетические уровни всех “узких мест” кардинально различаются у каждого экземпляра транзистора. И недавно группа исследователей из Toshiba Corporation и научно-исследовательского института RIKEN, Япония, продемонстрировали, что квантовые “отпечатки пальцев” транзисторов могут быть выявлены при помощи достаточно распространенных алгоритмов распознавания изображений, что может быть использовано для идентификации каждого экземпляра полупроводникового чипа. Это же, в свою очередь, можно использовать в качестве ключей в сетях Интернета Вещей, в системах обеспечения безопасности, защиты данных и т.п.
В разработанной учеными системе квантовый “отпечаток пальца” представляет собой математическую функцию, которую невозможно физически скопировать или повторить (physically unclonable function, PUF). Эта функция является отражением естественных физических отклонений параметров транзистора от неких идеальных значений. Каждый транзистор сохраняет базовую форму своей PUF-функции в течение всего срока жизни, несмотря на некоторую ее деградацию, связанную с эффектами старения.
Как уже упоминалось выше, для выявления параметров PUF-функции исследователи использовали алгоритмы распознавания изображений, которые в большинстве случаев выдавали изображения, схематически напоминающие ограненные алмазы. Из-за этого PUF-функции получили название “Кулоновы алмазы” (Coulomb diamonds), а форма виртуального кристалла Кулонова алмаза, количество и расположение вершин, граней и плоскостей, является отражением количества “узких мест” в структуре транзистора и их характеристик.
Одним из преимуществ данного метода является то, что при его помощи можно получить квантовый “отпечаток пальца” как для чипа, содержащего более миллиарда транзисторов, так и для отдельных транзисторов, запаиваемых в печатную плату устройства. Однако, в этой “бочке меда”, как обычно, имеется своя “ложка дегтя”. В настоящее время определение формы “Кулонова алмаза” возможно лишь при криогенной температуре в 1.5 градуса выше точки абсолютного нуля. Но ученые уже разработали новый метод, позволяющий сделать все то же самое и при комнатной температуре, однако он пока требует использования весьма дорогостоящих производственных методов.
В своих будущих исследованиях японские ученые планируют заняться поиском и изучением других способов взятия квантовых “отпечатков пальцев” у транзисторов. Одним из перспективных методов в этом направлении является измерение параметров поведения кубитов, в которые кратковременно превращаются электроны, пойманные в ловушки узких мест. Уникальные и случайные места возникновения таких кубитов дадут уникальный для каждого транзистора “отпечаток пальца”, что позволит использовать этот эффект в квантовых компьютерах, при помощи которых будут созданы новые системы безопасности и системы защиты данных.
