不可復(fù)制的新型防偽芯片，原理竟來源于耳語廊！

據(jù)日本筑波大學(xué)官網(wǎng)近日報道，該校研究人員創(chuàng)造出一款具有無法偽造的獨特彩色圖案的毫米尺寸芯片。

背景

如今，假貨已經(jīng)成為影響十分廣泛的全球性問題。形形色色的假貨充斥著各行各業(yè)，例如假藥、假酒、假幣、假證件、假服裝、假電子產(chǎn)品等。這些假冒偽劣產(chǎn)品，不僅嚴(yán)重侵害消費者的合法權(quán)益，也對正品生產(chǎn)商的經(jīng)營造成惡劣影響，嚴(yán)重妨礙社會資源的有效利用。

形形色色的假貨(圖片來源：蘭卡斯特大學(xué))

為了遏制假貨的蔓延，各種防偽和安全認(rèn)證技術(shù)應(yīng)運而生，其中比較典型的有密碼技術(shù)、RFID技術(shù)、全息技術(shù)、指紋識別技術(shù)、虹膜識別技術(shù)、物理不可克隆技術(shù)(PUF技術(shù))。此外，筆者先前也介紹過一些創(chuàng)新型的防偽技術(shù)，主要是關(guān)于防偽標(biāo)簽與標(biāo)記。接下來，通過三個例子帶大家回顧一下：

案例一：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的納米水印防偽技術(shù)。這項技術(shù)通過在玻璃或陶瓷上打納米水印來防偽。具有這種水印的產(chǎn)品，對于裸眼來說不可見，只有在紫外線下才可見，可用于防偽。

(圖片來源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 )

案例二：英國蘭卡斯特大學(xué)的研究人員發(fā)明的專利技術(shù)。該技術(shù)利用石墨烯及其他二維材料的“缺陷”創(chuàng)造出原子級的、無法復(fù)制的唯一標(biāo)識。用戶只要用手機掃描一下標(biāo)簽，就能判斷出商品真?zhèn)巍?/p>

(圖片來源：蘭卡斯特大學(xué))

案例三：德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)和蔡司(ZEISS)公司的研究人員提出采用3D打印的微觀結(jié)構(gòu)，例如全息圖，制作新型防偽標(biāo)簽以改善防偽保護。

(圖片來源：Frederik Mayer/KIT)

創(chuàng)新

近日，日本筑波大學(xué)的研究人員采用“耳語廊效應(yīng)”的基礎(chǔ)原理來阻止造假者制造假貨。相關(guān)論文發(fā)表在《Materials Horizons》雜志上。

技術(shù)

耳語廊效應(yīng)

英國倫敦圣保羅大教堂內(nèi)有一個設(shè)計奇特的環(huán)形結(jié)構(gòu)回廊，也稱為“耳語廊”。當(dāng)兩個人貼近回廊內(nèi)壁站立時，即使一個人在一端對著回廊竊竊私語，走廊另一端與他相隔遙遠(yuǎn)的另一個人也可以清楚地聽到，猶如耳邊低語，“耳語廊”也因此得名。

倫敦圣保羅大教堂內(nèi)的耳語廊(圖片來源：維基百科)

早在19世紀(jì)，英國著名科學(xué)家瑞利勛爵(Lord Rayleigh)就首次分析了其中的聲學(xué)原理并給出了物理解釋。他認(rèn)為：這是由于聲波沿著回廊光滑的墻內(nèi)壁連續(xù)反射來進行傳播，傳播損耗很小。這種聲波模式也因此被命名為“耳語廊模式”，也稱為“回音壁模式”。事實上，北京天壇的回音壁也有類似的現(xiàn)象。

“耳語廊效應(yīng)”不僅局限于聲波，近來科學(xué)家們越來越多的興趣集中在光波。由于電磁波在從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時會發(fā)生全反射現(xiàn)象，當(dāng)光線沿著旋轉(zhuǎn)對稱的幾何結(jié)構(gòu)邊界內(nèi)壁傳播時會發(fā)生連續(xù)的全反射，光束被約束在環(huán)形邊界上，從而產(chǎn)生類似的回音壁現(xiàn)象。若光束繞幾何結(jié)構(gòu)邊界行走一圈的光程滿足波長的整數(shù)倍時，會產(chǎn)生干涉加強現(xiàn)象即共振現(xiàn)象，其中用來約束光場的環(huán)形結(jié)構(gòu)即被稱為“回音壁模式光學(xué)微腔”。

舉例來說，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師開發(fā)的一種具有光學(xué)回音壁模式的諧振器。它能將光線沿著微型小球的圓周旋轉(zhuǎn)數(shù)百萬次，從而創(chuàng)造出一種基于微芯片的超靈敏傳感器，用于感知運動、溫度、壓力、生物化學(xué)指標(biāo)等。

(圖片來源：參考資料【1】)

在量子物理研究中，光學(xué)回音壁模式也有很好的應(yīng)用。例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員團隊為了創(chuàng)造“糾纏的量子對”，設(shè)計出一種特殊定制的光學(xué)回音壁，即一個納米級氮化硅諧振器。它能操控光線圍繞著微型賽道傳播，類似聲波圍繞著曲面墻壁暢通無阻地傳播。當(dāng)選定波長的激光被引導(dǎo)到諧振器中時，由可見光與近紅外光的光子糾纏而成的光子對就會出現(xiàn)。

下圖所示：NIST研究人員們通過仔細(xì)設(shè)計微米級環(huán)狀諧振器，制造出糾纏的光子對，這一對光子的顏色(或者說波長)差別很大。來自泵浦激光(諧振器中的紫色區(qū)域)的光線，生成每對光子中處于可見光波長(諧振器中以及周圍的紅色斑塊)的那個光子;另一個光子的波長處于頻譜中的電信(近紅外)部分(藍(lán)色斑塊)。從量子通信的角度來說，這些光子對在一個光學(xué)電路中結(jié)合了彼此的優(yōu)點：處于可見光波長的光子能與囚禁的原子、離子以及其他系統(tǒng)相互作用，這些系統(tǒng)可以作為量子版本的計算機存儲器，而處于電信波長的光子可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)自由地進行遠(yuǎn)距離傳輸。

(圖片來源：S. Kelley/NIST)

防偽

通常來說，安全性很高的標(biāo)識應(yīng)該特別能防偽。然而不幸的是，身份竊賊終于學(xué)會了復(fù)制復(fù)雜度很高的圖案。永久打敗身份竊賊的唯一途徑，就是創(chuàng)造一種無法復(fù)制的圖案。

筑波大學(xué)研究人員采用耳語廊光波創(chuàng)造出一種無法復(fù)制的圖案。通過這樣做，他們創(chuàng)造出了一個不可逾越的新型防偽系統(tǒng)。

這篇論文的高級作者 Yohei Yamamoto 教授解釋道：“我們使用光波而不是聲波來沿著微米級染料顆粒的凹坑形表面行走。這樣創(chuàng)造出了一種無法偽造的復(fù)雜彩色圖案?！?/p>

為了創(chuàng)造毫米尺寸的微芯片，研究人員首先沉積染料小顆粒，顆粒發(fā)出的熒光可以被打開和關(guān)閉。然后，他們選擇性地以特定的圖案點亮芯片，圖案分為明亮顆粒的區(qū)域以及黑暗顆粒的區(qū)域。

每個染料顆粒都具有獨特的直徑和形狀。由于回音廊效應(yīng)的基礎(chǔ)原理(在這個案例中是光而不是聲)，每個顆粒發(fā)出的熒光都是獨特的。這樣就在微芯片上創(chuàng)造出了一幅獨特的彩色圖案，也可以說是一個“指紋”，而這個“指紋”是無法被復(fù)制或者偽造的。

Yamamoto 教授表示：“我們在優(yōu)化后的微芯片上實現(xiàn)了每平方厘米幾百萬的像素密度。我們開發(fā)出了一款高度安全的兩步光學(xué)鑒權(quán)系統(tǒng)，第一步是微圖案本身;第二步是微芯片內(nèi)隱含的逐像素?zé)晒庵讣y?！?/p>

研究人員使用他們的技術(shù)創(chuàng)造出了一幅毫米尺寸的類似蒙娜麗莎畫像的作品。這幅作品內(nèi)部嵌入了不可復(fù)制的獨特?zé)晒庵讣y。

(圖片來源：筑波大學(xué))

價值

企業(yè)、政府以及許多其他的組織都需要無法偽造的明確身份驗證。通過采用一顆無法偽造的微芯片，對安全性要求高的組織有了一個新的防偽選項，以確保數(shù)據(jù)和設(shè)備的保密性以及完整性。

參考資料

【1】Chenchen Zhang, Alexander Cocking, Eugene Freeman, Zhiwen Liu, Srinivas Tadigadapa. On-Chip Glass Microspherical Shell Whispering Gallery Mode Resonators. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-14049-w

【2】Daichi Okada, Zhan-Hong Lin, Jer-Shing Huang, Osamu Oki, Masakazu Morimoto, Xuying Liu, Takeo Minari, Satoshi Ishii, Tadaaki Nagao, Masahiro Irie, Yohei Yamamoto. Optical microresonator arrays of fluorescence-switchable diarylethenes with unreplicable spectral fingerprints. Materials Horizons, 2020; DOI: 10.1039/D0MH00566E

【3】http://www.tsukuba.ac.jp/en/research-list/n202005260914