一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子認證、量子密鑰分配、身份認證和防偽領域，具體是指一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法。
技術背景
[0002]眾所周知，智能1C卡已被廣泛應用在身份證、銀行卡、門禁卡、交通卡等眾多重要的領域，但這種基于經典電磁感應原理的1C卡存在著安全隱患，易遭受非法訪問、跟蹤竊聽、偽造篡改、重放攻擊等安全威脅。近年來，已有多起銀行卡信息外泄和支付卡遭黑客竊取等惡性事件發生。因此，發展下一代身份安全認證技術已經迫在眉睫。其中，使用物理不可克隆函數(Physical Unclonable Funct1n，PUF)實體作為鑰匙的量子安全認證(Quantum Secure Authenticat1n)以及量子密鑰分配(Quantum Key Distribut1n)是最新提出的可以從根本上杜絕智能卡被克隆和冒名認證的技術。
[0003]物理不可克隆函數(Physical Unclonable Funct1n，PUF)是一種獨一無二、不可被克隆的物理對象。因為其制造過程本身包含有大量的不可控自由度，即便是制造者本人也無法重復制造出一塊完全相同的PUF實體，這就類似于人的指紋和虹膜。PUF可以看作是一個物理的激勵-響應函數，對其輸入一個激勵，利用物理實體不可避免的固有物理構造上的隨機差異，會輸出一個不可預測的響應，其行為表現為物理單向函數(Physical One-WayFunct1n)。由于PUF具備不可克隆性、唯一性、不可預測性、可重復性、單向性和不可篡改性等屬性，使用PUF用于安全認證和密鑰分配是一種非常有用技術。
[0004]已經報道的PUF主要分為光學PUF、電學PUF、紙PUF、CD PUF等幾種形式。其中，光學PUF是至今為止唯一被證明具有數學不可克隆性的PUF，還可與量子態的激勵-響應結合，使認證系統同時具備物理密鑰的不可克隆性與激勵-響應的量子不可克隆性，在物理和技術上確保了認證的絕對安全，是當前最安全最具前途的PUF形式。光學PUF內部包含了大量無序微納結構，其光學特性(如折射率、吸收系數)隨空間變化呈無序分布。入射光(激勵)在進入PUF時，由于受微納結構的散射、干涉、衍射、吸收等相互作用，會產生明暗相間的無規則散斑圖，從而可作為響應。此外，通常光學PUF既有透射響應又有反射響應，因此可同時作為量子認證和量子密鑰生成器。
[0005]然而，當前使用的光學PUF都是有基底的結構，體積大、使用不夠靈活方便，尤其在集成微系統中兼容性很差。在實際應用中，往往更需要一種穩定可靠的自支撐結構，以便于將其轉移到各種基底上或嵌入安全認證卡片或直接集成在微芯片系統中，滿足量子認證與量子密鑰分配靈活多樣化的實際需求。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種自支撐物理不可克隆鑰匙及其制備方法，旨在通過一種成本低、簡便易行的制備方法制備得到一種穩定可靠、靈活實用、可轉移使用的物理不可克隆鑰匙，以克服在集成微系統中兼容性很差的缺陷，在實際應用中能滿足量子認證與量子密鑰分配靈活多樣化的實際需求。
[0007]本發明的技術方案如下:
一種自支撐物理不可克隆鑰匙的制備方法，包括以下步驟:
首先，在基底上生長一層脫膜劑。
[0008]其次，在脫膜劑層上生長由無序微納米顆粒嵌埋于透明介質形成的復合膜。
[0009]再次，采用溶劑將脫膜劑溶掉。若采用可溶性基底，則也可以直接將基底溶掉。
[0010]最后，將溶劑中脫離下來的無序微納米顆粒嵌埋于透明介質的復合膜取出干燥，即可得到自支撐物理不可克隆鑰匙。
[0011]所述的脫膜劑是可溶性材料，可以采用似(:1、1((:1、8&(:12、211(:12、祖(:12、似1、1(1、Bal2等易溶于水的金屬鹵化物，也可采用蔗糖和丙氨酸等易溶于水的有機材料，還可以采用光刻膠、火棉膠等易溶于有機溶劑的材料。
[0012]所述的基底可以是任意材料的，既可以是可溶性的也可以是不可溶性的，若是可溶性材料的基底，則基底本身就是脫膜劑。
[0013]可采用如下三種方法制備所述復合膜:
第一種方法，將微納米顆粒混合進可固化的透明液體中，進行攪拌分散，然后通過噴涂、旋涂或浸拉法生長到有脫膜劑的基底上，最后進行固化，形成嵌埋結構的復合膜。
[0014]第二種方法，采用溶膠-凝膠法，先將微納米顆粒混合進用來制備透明介質的溶膠前驅液中，然后通過噴涂、旋涂或浸拉法生長到有脫膜劑的基底上，凝膠得到嵌埋結構的復合膜。
[0015]第三種方法，將微納米顆粒分散液直接噴涂或旋涂到生長脫膜劑的基底上，待其干燥后形成多孔結構，然后在其上采用化學氣相沉積法(CVD)或原子層沉積法(ALD)生長透明介質，將孔隙填充，形成嵌埋結構的復合膜。
[0016]通過上述方法制備得到的一種自支撐物理不可克隆鑰匙，包括若干無序微納米顆粒和透明介質，若干無序微納米顆粒嵌埋于透明介質中，并形成復合膜。其中:
所述無序微納米顆粒是由折射率與透明介質不同的材料構成，其粒徑大小在使用波長的量級，分布在十分之一波長到十倍波長之間。以隨機無序狀態嵌埋于透明介質中，形成波長量級的折射率不均勻空間分布，構成強散射結構。無序微納米顆粒可以由單種材料、單種粒徑、單種形狀的微納米顆粒混合構成，也可以由多種材料、多種粒徑、多種形狀的微納米顆粒混合構成。優選的，采用多種材料、多種粒徑、多種形狀混合的微納米顆粒混合，以增加物理不可克隆鑰匙結構的復雜性，使其與激勵光的相互作用更加復雜，具有更高的不可克隆性。
[0017]所述透明介質采用對使用波段透明的材料，可以是平面的也可以是曲面的；透明介質的厚度根據實際使用需求，可以從一個使用波長到一千個使用波長。可以采用二氧化硅、三氧化二鋁、氮化鋁、氟化鎂、氟化鈣、溴化鉀等無機物，也可以采用紫外固化膠、熱固化膠、聚氯乙烯(簡稱PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)等無機物。透明介質在作為光傳導介質的同時，還具有固定和保護無序微納米顆粒的作用，以確保物理不可克隆鑰匙的力學和化學穩定性，使其具備自支撐的能力。
[0018]本發明的有益效果如下:
本發明制備得到的自支撐物理不可克隆鑰匙采用微納米顆粒嵌埋于透明介質的結構，具有高穩定性和高可靠性，適合于做自支撐結構；
該自支撐物理不可克隆鑰匙體積小，不受基底限制，既可以轉移到各種基底上使用，也可以鑲嵌進傳統安全認證卡片中或可直接應用于高度集成化的量子安全認證與量子密鑰分配微芯片系統中；
提出的制備方法成本低、簡便易行，具備真正的實用性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的結構示意圖；
其中:11為無序微納米顆粒;12為透明介質。
[0020]圖2為本發明的制備方法流程示意圖
其中:1為無序微納米顆粒，2為透明介質，3為脫膜劑，4為基底。
[0021]圖3為本發明制備得到基于二氧化鈦(Ti02)和氧化鋅(ZnO)混合無序微納米顆粒和紫外固化膠透明介質的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:21為二氧化鈦和氧化鋅混合無序微納米顆粒;22為紫外固化膠透明介質；23為KC1脫膜劑;24為石英基底。
[0022]圖4為本發明制備得到基于鈦酸鋇(BaTi03)無序微納米顆粒和氮化鋁(A1N)透明介質的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:31為鈦酸鋇無序微納米顆粒;32為氮化鋁透明介質;33為AZ4620光刻膠脫膜劑； 34為硅片基底。
[0023]圖5為本發明制備得到基于磷化鎵(GaP)、二氧化鈦(Ti02)和鈦酸鋇(BaTi03)混合無序微納米顆粒及二氧化硅(Si02)透明介質的自支撐物理不可克隆鑰匙的過程示意圖；
其中:41為磷化鎵、二氧化鈦和鈦酸鋇混合無序微納米顆粒;42為二氧化硅透明介質； 43為氯化鈉基底。
【具體實施方式】
[0024]如圖2所示，一種自支撐物理不可克隆鑰匙的制備方法，包括以下步驟:
首先，在基底上生長一層脫膜劑。
[0025]其次，在脫膜劑層上生長由無序微納米顆粒嵌埋于透明介質形成的復合膜。
[0026]再次，采用溶劑將脫膜劑溶掉。若采用可溶性基底，則也可以直接將基底溶掉。
[0027]最