[发明专利]一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙

说明书

技术领域

本发明涉及量子认证、身份认、量子密钥分配和防伪领域，具体是指一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙。

技术背景

随着现代社会经济和科技的高速发展，尤其随着大数据时代的到来，智能芯片如磁条卡、无线射频认证卡（IC卡）等在日常生活中的使用越来越普遍，已被广泛应用在我国第二代居民身份证、银行卡、门禁卡、交通卡等众多重要的领域，并且已成为物联网发展的关键技术。但这种基于经典电磁感应原理的IC卡存在着安全隐患，易遭受非法访问、跟踪窃听、伪造篡改、重放攻击等安全威胁。因此，发展下一代安全认证技术已经迫在眉睫。其中，使用物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）实体作为钥匙的量子认证（QuantumSecureAuthentication）以及量子密钥分配（QuantumKeyDistribution）是最新提出的可以从根本上杜绝智能卡被克隆和冒名认证的技术。

物理不可克隆函数（PhysicalUnclonableFunction，PUF）是一种独一无二、不可被克隆的物理实体。一个具体的PUF实体是一块无法被精确复制的极其复杂的材料体系，制造过程本身包含有大量的不可控自由度，即便是制造者本人也无法重复制造出另一块完全相同的PUF实体，类似于人的指纹和虹膜，具有优异的独一无二特性。PUF的行为可以看作是一种激励-响应函数，对其输入一个激励（Challenge），会输出一个无法预测的响应（Response），且通过此响应无法反推激励的特性，即表现为物理单向函数（PhysicalOne-WayFunction）。加之PUF具备不可克隆性、唯一性、不可预测性、可重复性、单向性和不可篡改性等属性，使用PUF用于安全认证和密钥分配是一种非常有用技术。

前期提出的量子认证方式，主要采用经典激励-响应方式。尽管PUF本身不可被克隆，但由于激励状态和响应态均可以被明确探知，一旦攻击者窃取了PUF实体或掌握了激励-响应库的信息，那么就可以通过数字模拟攻击进行冒名认证。为了克服经典认证存在的漏洞，研究人员最近提出了利用光学PUF作为钥匙的量子认证系统（Optica,2014,1(6):421-424）。采用量子态激励作用于PUF，所产生的响应也是量子态的。若对此响应进行量子读出（QuantumReadout），即可完成绝对安全的量子认证。由于光的量子特性和量子不可克隆定理（No-CloningTheorem），任何试图截取窃听复制量子激励-响应的行为都会破坏其完整性，这样，攻击者无法冒名认证，从而保证了认证的安全性。

量子认证系统中采用的光学PUF内部包含了大量无序微纳结构，其光学特性（如折射率、吸收系数）也呈现随空间变化的无序分布。与入射光（激励）相互作用（散射、干涉、衍射、吸收等），会产生透射、反射、散射，形成明暗相间的无规则散斑图（SpecklePattern）。光学PUF与量子激励以及量子读出相结合，同时具备物理密钥的不可克隆性与量子不可克隆性，在物理和技术上确保了认证的绝对安全，是最有优势和前途的一种PUF。光学PUF由于可以同时利用其透射响应和反射响应，可同时作为量子认证和量子密钥生成器。

然而，当前使用的光学PUF都是采用单种材料的微纳米粒子形成的多孔结构。一方面，这种单一材料构成的PUF微观结构复杂程度不够，导致与激励光的相互作用的复杂度和包含的信息量不足；另一方面，这种疏松的结构导致PUF力学性能极差、微结构不稳定、易受损坏、与基底粘附性差，而且其比表面积大，对环境中水汽和微尘等杂质吸附性强、化学性能不稳定，实用性不佳。

因此，需要一种微观结构更为复杂多样，稳定性、可靠性更高的物理不可克隆钥匙，以满足量子认证与量子密钥分配的实用化需求。

发明内容

本发明公开了一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，该物理不可克隆钥匙的微观结构更为复杂多样、信息含量更大，具有高稳定性、高可靠性、高实用性的特点。

本发明的技术方案如下：

一种用于量子安全认证和量子密钥分配的物理不可克隆钥匙，其特征在于：包括基底、透明介质薄膜和无序微纳米粒子，所述透明介质薄膜位于基底上，透明介质薄膜中嵌埋有若干无序微纳米粒子；所述的无序微纳米粒子是由多种材料、多种粒径、多种形状的微纳米粒子混合构成。

所述的基底可以是任意材料的，既可以是透明的，也可以是不透明的；既可以是刚性的，也可以是柔性材料；既可以是平面的，也可以是曲面的。