光学物理不可克隆函数与硬件安全领域新进展

近日，上海科技大学信息学院曲俞睿课题组在光学物理不可克隆函数（Physical Unclonable Functions，PUFs）与硬件安全领域取得新进展。团队提出空间-光谱复合编码方法，结合空间光调制与光子晶体光谱共振模式，实现了超过11万比特的高容量密钥生成，并进一步将物理随机响应应用于数字签名和加密通信。相关研究以“Spatial-Spectral Physical Unclonable Functions Based on Photonic Crystal Slabs for High-Entropy Key Generation and Secure Digital Signatures”为题，发表于国际光学期刊ACS Photonics。

PUF可以被理解为一种难以复制的“芯片指纹”。芯片在制造过程中会自然产生微小且随机的结构差异，PUF利用这些差异生成每个器件独有的安全响应和密码密钥。与将密钥直接写入存储器相比，这种方式能够在需要时从器件本身重新生成密钥，降低密钥被黑客读取、复制或篡改的风险，可用于芯片和智能终端的真实身份认证，并为人工智能模型参数、AI敏感数据及推理过程提供底层安全保障。

在众多种类的PUF中，光学PUF利用复杂的光-物质相互作用，在硬件安全领域展现出重要潜力。然而，现有光学PUF通常面临密钥容量有限、可用编码维度不足、物理响应噪声难以直接兼容标准密码协议等问题。针对上述挑战，曲俞睿课题组提出了一种基于光子晶体薄板的空间-光谱复合编码光学PUF。该方法利用光子晶体薄板丰富且高度敏感的光谱共振模式，并结合空间光调制器产生的波前调制，在紧凑器件中构建高维空间-光谱响应，实现高容量密钥生成。

研究团队在约300 × 300 μm²、接近针尖大小的微小区域内，实现了117,814 bit的统计独立有效密钥长度，对应超过2110000种可能的密钥组合。这足以为地球上的每一粒沙子赋予独一无二的“身份证号”，且仍有巨大余量。该器件覆盖480-840 nm可见光至近红外波段，并通过144种不同结构参数的光子晶体单元产生多样化光谱响应。进一步结合空间光调制器加载随机相位挑战，可在不同空间位置和不同光学挑战下产生丰富的空间-光谱响应。

为验证器件的物理不可克隆性，研究团队开展了“真品-仿品”硬件攻击实验。即使仿品采用与真品相同的设计参数和制造工艺，约10 nm量级的不可避免制造偏差也会显著改变光子晶体的共振光谱；在随机波前调制的进一步放大作用下，仿制成功概率接近于0，说明该器件具有较强的抗物理克隆能力。

在此基础上，团队将模糊提取器与椭圆曲线密码学相结合，将光学物理响应转换为稳定的密码学密钥，并用于数字签名和加密通信。经过模糊提取后，数字签名验证成功率达到100%，实现了从物理熵源到标准密码协议的有效衔接。该研究为构建高容量、无存储、难克隆的光学硬件信任根提供了新的技术方案，有望应用于芯片安全、设备身份认证、供应链安全、数字签名及安全通信等领域。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00808