不可复制的新型防伪芯片，原理竟来源于耳语廊！

据日本筑波大学官网近日报道，该校研究人员创造出一款具有无法伪造的独特彩色图案的毫米尺寸芯片。

背景

如今，假货已经成为影响十分广泛的全球性问题。形形色色的假货充斥着各行各业，例如假药、假酒、假币、假证件、假服装、假电子产品等。这些假冒伪劣产品，不仅严重侵害消费者的合法权益，也对正品生产商的经营造成恶劣影响，严重妨碍社会资源的有效利用。

形形色色的假货(图片来源：兰卡斯特大学)

为了遏制假货的蔓延，各种防伪和安全认证技术应运而生，其中比较典型的有密码技术、RFID技术、全息技术、指纹识别技术、虹膜识别技术、物理不可克隆技术(PUF技术)。此外，笔者先前也介绍过一些创新型的防伪技术，主要是关于防伪标签与标记。接下来，通过三个例子带大家回顾一下：

案例一：瑞士洛桑联邦理工学院开发的纳米水印防伪技术。这项技术通过在玻璃或陶瓷上打纳米水印来防伪。具有这种水印的产品，对于裸眼来说不可见，只有在紫外线下才可见，可用于防伪。

(图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院 )

案例二：英国兰卡斯特大学的研究人员发明的专利技术。该技术利用石墨烯及其他二维材料的“缺陷”创造出原子级的、无法复制的唯一标识。用户只要用手机扫描一下标签，就能判断出商品真伪。

(图片来源：兰卡斯特大学)

案例三：德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和蔡司(ZEISS)公司的研究人员提出采用3D打印的微观结构，例如全息图，制作新型防伪标签以改善防伪保护。

(图片来源：Frederik Mayer/KIT)

创新

近日，日本筑波大学的研究人员采用“耳语廊效应”的基础原理来阻止造假者制造假货。相关论文发表在《Materials Horizons》杂志上。

技术

耳语廊效应

英国伦敦圣保罗大教堂内有一个设计奇特的环形结构回廊，也称为“耳语廊”。当两个人贴近回廊内壁站立时，即使一个人在一端对着回廊窃窃私语，走廊另一端与他相隔遥远的另一个人也可以清楚地听到，犹如耳边低语，“耳语廊”也因此得名。

伦敦圣保罗大教堂内的耳语廊(图片来源：维基百科)

早在19世纪，英国著名科学家瑞利勋爵(Lord Rayleigh)就首次分析了其中的声学原理并给出了物理解释。他认为：这是由于声波沿着回廊光滑的墙内壁连续反射来进行传播，传播损耗很小。这种声波模式也因此被命名为“耳语廊模式”，也称为“回音壁模式”。事实上，北京天坛的回音壁也有类似的现象。

“耳语廊效应”不仅局限于声波，近来科学家们越来越多的兴趣集中在光波。由于电磁波在从光密介质向光疏介质传播时会发生全反射现象，当光线沿着旋转对称的几何结构边界内壁传播时会发生连续的全反射，光束被约束在环形边界上，从而产生类似的回音壁现象。若光束绕几何结构边界行走一圈的光程满足波长的整数倍时，会产生干涉加强现象即共振现象，其中用来约束光场的环形结构即被称为“回音壁模式光学微腔”。

举例来说，美国宾夕法尼亚州立大学工程师开发的一种具有光学回音壁模式的谐振器。它能将光线沿着微型小球的圆周旋转数百万次，从而创造出一种基于微芯片的超灵敏传感器，用于感知运动、温度、压力、生物化学指标等。

(图片来源：参考资料【1】)

在量子物理研究中，光学回音壁模式也有很好的应用。例如，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员团队为了创造“纠缠的量子对”，设计出一种特殊定制的光学回音壁，即一个纳米级氮化硅谐振器。它能操控光线围绕着微型赛道传播，类似声波围绕着曲面墙壁畅通无阻地传播。当选定波长的激光被引导到谐振器中时，由可见光与近红外光的光子纠缠而成的光子对就会出现。

下图所示：NIST研究人员们通过仔细设计微米级环状谐振器，制造出纠缠的光子对，这一对光子的颜色(或者说波长)差别很大。来自泵浦激光(谐振器中的紫色区域)的光线，生成每对光子中处于可见光波长(谐振器中以及周围的红色斑块)的那个光子;另一个光子的波长处于频谱中的电信(近红外)部分(蓝色斑块)。从量子通信的角度来说，这些光子对在一个光学电路中结合了彼此的优点：处于可见光波长的光子能与囚禁的原子、离子以及其他系统相互作用，这些系统可以作为量子版本的计算机存储器，而处于电信波长的光子可以通过光纤网络自由地进行远距离传输。

(图片来源：S. Kelley/NIST)

防伪

通常来说，安全性很高的标识应该特别能防伪。然而不幸的是，身份窃贼终于学会了复制复杂度很高的图案。永久打败身份窃贼的唯一途径，就是创造一种无法复制的图案。

筑波大学研究人员采用耳语廊光波创造出一种无法复制的图案。通过这样做，他们创造出了一个不可逾越的新型防伪系统。

这篇论文的高级作者 Yohei Yamamoto 教授解释道：“我们使用光波而不是声波来沿着微米级染料颗粒的凹坑形表面行走。这样创造出了一种无法伪造的复杂彩色图案。”

为了创造毫米尺寸的微芯片，研究人员首先沉积染料小颗粒，颗粒发出的荧光可以被打开和关闭。然后，他们选择性地以特定的图案点亮芯片，图案分为明亮颗粒的区域以及黑暗颗粒的区域。

每个染料颗粒都具有独特的直径和形状。由于回音廊效应的基础原理(在这个案例中是光而不是声)，每个颗粒发出的荧光都是独特的。这样就在微芯片上创造出了一幅独特的彩色图案，也可以说是一个“指纹”，而这个“指纹”是无法被复制或者伪造的。

Yamamoto 教授表示：“我们在优化后的微芯片上实现了每平方厘米几百万的像素密度。我们开发出了一款高度安全的两步光学鉴权系统，第一步是微图案本身;第二步是微芯片内隐含的逐像素荧光指纹。”

研究人员使用他们的技术创造出了一幅毫米尺寸的类似蒙娜丽莎画像的作品。这幅作品内部嵌入了不可复制的独特荧光指纹。

(图片来源：筑波大学)

价值

企业、政府以及许多其他的组织都需要无法伪造的明确身份验证。通过采用一颗无法伪造的微芯片，对安全性要求高的组织有了一个新的防伪选项，以确保数据和设备的保密性以及完整性。

参考资料

【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