امنیت همیشه یکی از مهم‌ترین جنبه‌های علم اطلاعات بوده است. مکانیک کوانتومی با ویژگی‌های عجیب و شگفت‌انگیزش می‌تواند نقش مهمی در افزایش امنیت بازی کند. در همین راستا، اکنون دانشمندان به کمک اثرات تک-الکترونی، ترانزیستور را تبدیل به یک اثر انگشت کوانتومی کرده‌اند! شاید در آینده‌ای نزدیک، هر سخت‌افزاری اثر انگشت کوانتومی خودش را داشته باشد، همانطور که انسان‌ها از این ویژگی، بهره‌های زیادی برده و می‌برند. با دیپ لوک همراه باشید….
ممکن است ما جریان الکتریکی را به صورت جریانی آرام و همگنی از الکترون‌هایی که در دستگاه‌های الکترونیکی ما جریان دارند، تصور کنیم، اما در مقیاس کوانتومی، جریان الکتریکی ممکن است بیشتر شبیه رودخانه‌ی خروشانی باشد که امواج کوچک زیادی در سطح خود دارد. این امواج می‌توانند ناشی از اثرات تک-الکترونی ایجاد شده باشند که خود، نتیجه‌ی دفع الکترون‌ها توسط یکدیگر در فضاهای بسیار کوچک مانند محل‌های دام در ترانزیستورها هستند. اثرات تک-الکترون می‌توانند منجر به تغییرات جزیی در مشخصه‌های جریان-ولتاژ دستگاه‌های الکترونیکی شوند.
از آنجایی که محل‌های دام، اساسا نواقص کوچکی هستند که به صورت تصادفی و غیر قابل کنترل در طول فرایند تولید توزیع می‌شوند، تعداد، موقعیت و سطوح انرژی محل‌های دام برای هر ترانزیستور متفاوت است. در نتیجه، اثرات تک-الکترونی منجر به تغییرات جزیی منحصر بفرد در مشخصه‌ی جریان-ولتاژ ترانزیستورها می‌شوند که این امر، عملا برای هر تزانزیستور یک اثر انگشت کوانتومی بدست می‌دهد.
اخیرا، دانشمندان بررسی کرده‌اند که چگونه می‌توان روزی از این اثر انگشت کوانتومی به عنوان یک ID ارزان‌قیمت به منظور محافظت از اطلاعات شخصی استفاده کرد. هدف اصلی آن‌ها، توسعه‌ی این ویژگی برای فناوری‌هایی است که در شبکه‌ی نو ظهور دستگاه‌های متصل به اینترنت یا به اصطلاح اینترنت اشیا (Internet of Things) به وجود می‌آیند.
اخیرا دانشمندان در مقاله‌ی جدیدی که در مجله‌ی Applied physics Letters منتشر شده، نشان داده‌اند که می‌توان اثرات تک-الکترونی را با استفاده از الگوریتم‌های تشخیص تصویر، شناسایی کرده و برای شناسایی و حفاظت تراشه‌های کامپیوتری استفاده کرد. آن‌ها می‌گویند:
تاکنون کاربرد گسترده‌ای برای دستگاه‌های تک-الکترونی وجود نداشته است. پژوهش ما، مسیر متفاوتی را برای استفاده از اثر تک-الکترونی به عنوان یک دستگاه امنیتی باز می‌کند. اهمیت امنیت نیز روز به روز در حال افزایش است.
آنطور که فیزیک‌دانان بیان می‌کنند، اثر انگشت کوانتومی یک دستگاه الکترونیکی را می‌توان به عنوان یک عملکرد بصورت فیزیکی غیر قابل تکثیر (PUF) تصور کرد. PUFها مانند اثر انگشت یک انسان، مبتنی بر تغییرات فیزیکی منحصر بفرد و طبیعی بوده و قابل انتقال به دستگاه‌های دیگر نیستند. علاوه بر این، PUFها در تمام مدت عمر دستگاه، مشخصه‌های کلیدی خودشان را، علی‌رغم افت کیفیت در اثر گذشت زمان، حفظ می‌کنند.
محققان در کار خود، الگوریتم‌های تطبیق عکس را به منظور شناسایی مشخصات متفاوت جریان-ولتاژ که الماس‌های کولن نامیده می‌شوند، به کار بردند. دلیل انتخاب عبارت الماس‌های کولن، این است که محل‌هایی از نمودار جریان-ولتاژ که جریان توسط اثرات تک-الکترونی سرکوب می‌شود، برخی مواقع شکلی شبیه الماس دارد. همچنین با افزایش تعداد محل‌های دام، الگوهای الماس پیچیده‌تر می‌شود.
دقیقا مشابه اثر انگشت انسان که بسته به عواملی مانند رطوبت، خشکی یا چربی متفاوت است، تصاویر الماس کولن نیز می‌تواند در شرایط متفاوت، کمی متفاوت به نظر برسد. علی‌رغم این تغییرات، محققان نشان داده‌اند که الگوریتم‌های فعلی تشخیص مشخصات و تطبیق عکس می‌توانند ویژگی‌های کلیدی (مانند گوشه‌ها و لبه‌ها) را با موفقیت استخراج کرده و الماس‌های کولن متفاوت را از یکدیگر متمایز نمایند.
هر چند امروزه یک تراشه‌ی پردازنده‌ی متوسط، بیش از یک میلیارد ترانزیستور دارد، اما برای تولید اثرانگشت، تنها یک ترانزیستور برای کل تراشه نیاز است که این یک مزیت مهم است و عملی بودن این ایده را امکان‌پذیر می‌کند، چون تنها یک ترانزیستور نیاز به اندازه‌گیری دارد. از طرفی، هنوز چالش‌هایی قبل از پیاده‌سازی این روش وجود دارد. الماس‌های کولن در دماهای بسیار سرد حدود ۱.۵ درجه بالاتر از صفر مطلق اندازه‌گیری شدند. پژوهش قبلی نشان می‌دهد می‌توان اثرات تک-الکترونی را در دمای اتاق نیز اندازه‌گیری کرد، اما این امر، نیازمند فرایندهای تولید گران‌قیمت می‌باشد.
فیزیک‌دانان به دنبال کشف راه‌های دیگری برای تبدیل ترانزیستورها به اثر انگشت کوانتومی هستند. یکی از احتمالات می‌تواند اندازه گیری رفتار اسپین-کیوبیت الکترون‌ها در دام‌ها باشد، چرا که انتظار می‌رود این رفتارهای کوانتومی از دام‌ها تاثیر بپذیرند. محققان همچنین می‌خواهند راه‌های پیاده‌سازی امنیت اثر انگشت کوانتومی ترانزیستور در کامپیوترهای کوانتومی آینده را بررسی کنند. آن‌ها می‌گویند:
کامپیوترهای کوانتومی یکی از داغ‌ترین موضوعات حال حاضر هستند. ما امیدواریم بتوانیم در آینده، PUFهای کوانتومی خود را در سیستم امنیتی کامپیوترهای کوانتومی ادغام کنیم.
گفتگو۱ دیدگاه
با سلام خسته نباشید مطلب بسیار عالی بود: فقط این نکات را توضیح میدید؟
۱) محل های دام چیست؟
۲) اثرات تک الکترونی چیست؟
۳) PUF چیست؟