【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，上?？萍即髮W(xué)信息學(xué)院曲俞睿課題組在光學(xué)物理不可克隆函數(shù)(Physical Unclonable Functions，PUFs)與硬件安全領(lǐng)域取得新進展。團隊提出空間-光譜復(fù)合編碼方法，結(jié)合空間光調(diào)制與光子晶體光譜共振模式，實現(xiàn)了超過11萬比特的高容量密鑰生成，并進一步將物理隨機響應(yīng)應(yīng)用于數(shù)字簽名和加密通信。相關(guān)研究以“Spatial-Spectral Physical Unclonable Functions Based on Photonic Crystal Slabs for High-Entropy Key Generation and Secure Digital Signatures”為題，發(fā)表于國際光學(xué)期刊ACS Photonics。
 

　　PUF可以被理解為一種難以復(fù)制的“芯片指紋”。芯片在制造過程中會自然產(chǎn)生微小且隨機的結(jié)構(gòu)差異，PUF利用這些差異生成每個器件獨有的安全響應(yīng)和密碼密鑰。與將密鑰直接寫入存儲器相比，這種方式能夠在需要時從器件本身重新生成密鑰，降低密鑰被黑客讀取、復(fù)制或篡改的風(fēng)險，可用于芯片和智能終端的真實身份認證，并為人工智能模型參數(shù)、AI敏感數(shù)據(jù)及推理過程提供底層安全保障。
 

　　在眾多種類的PUF中，光學(xué)PUF利用復(fù)雜的光-物質(zhì)相互作用，在硬件安全領(lǐng)域展現(xiàn)出重要潛力。然而，現(xiàn)有光學(xué)PUF通常面臨密鑰容量有限、可用編碼維度不足、物理響應(yīng)噪聲難以直接兼容標(biāo)準(zhǔn)密碼協(xié)議等問題。針對上述挑戰(zhàn)，曲俞睿課題組提出了一種基于光子晶體薄板的空間-光譜復(fù)合編碼光學(xué)PUF。該方法利用光子晶體薄板豐富且高度敏感的光譜共振模式，并結(jié)合空間光調(diào)制器產(chǎn)生的波前調(diào)制，在緊湊器件中構(gòu)建高維空間-光譜響應(yīng)，實現(xiàn)高容量密鑰生成。
 

　　研究團隊在約300 × 300 μm²、接近針尖大小的微小區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)了117,814 bit的統(tǒng)計獨立有效密鑰長度，對應(yīng)超過2110000種可能的密鑰組合。這足以為地球上的每一粒沙子賦予獨一無二的“身份證號”，且仍有巨大余量。該器件覆蓋480-840 nm可見光至近紅外波段，并通過144種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體單元產(chǎn)生多樣化光譜響應(yīng)。進一步結(jié)合空間光調(diào)制器加載隨機相位挑戰(zhàn)，可在不同空間位置和不同光學(xué)挑戰(zhàn)下產(chǎn)生豐富的空間-光譜響應(yīng)。
 

　　為驗證器件的物理不可克隆性，研究團隊開展了“真品-仿品”硬件攻擊實驗。即使仿品采用與真品相同的設(shè)計參數(shù)和制造工藝，約10 nm量級的不可避免制造偏差也會顯著改變光子晶體的共振光譜；在隨機波前調(diào)制的進一步放大作用下，仿制成功概率接近于0，說明該器件具有較強的抗物理克隆能力。
 

　　在此基礎(chǔ)上，團隊將模糊提取器與橢圓曲線密碼學(xué)相結(jié)合，將光學(xué)物理響應(yīng)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的密碼學(xué)密鑰，并用于數(shù)字簽名和加密通信。經(jīng)過模糊提取后，數(shù)字簽名驗證成功率達到100%，實現(xiàn)了從物理熵源到標(biāo)準(zhǔn)密碼協(xié)議的有效銜接。該研究為構(gòu)建高容量、無存儲、難克隆的光學(xué)硬件信任根提供了新的技術(shù)方案，有望應(yīng)用于芯片安全、設(shè)備身份認證、供應(yīng)鏈安全、數(shù)字簽名及安全通信等領(lǐng)域。
 

　　上?？萍即髮W(xué)信息學(xué)院是該論文第一完成單位。信息學(xué)院2026級博士研究生李森和2024級碩士研究生汪冠宏為共同第一作者，曲俞睿教授為論文通訊作者。該研究得到了上?？萍即髮W(xué)材料器件中心的支持。
 

　　引用：信息學(xué)院曲俞睿課題組在物理不可克隆函數(shù)與光學(xué)硬件加密領(lǐng)域取得進展-上?？萍即髮W(xué)【引用時間：2026年8月31日】