固体中的“原子级防伪标签”

随着物联网（IoT）快速发展，硬件仿冒、篡改和逆向工程威胁日益严峻，传统基于微米或纳米结构的物理不可克隆函数（PUFs）正面临被高精度纳米制造技术突破的风险。本文创新性地提出并实验验证了一种原子尺度的PUF架构——它不再依赖宏观结构的随机性，而是深入物质本源，利用固体中固有的原子级随机性（如点缺陷、杂质原子、同位素分布等）作为安全根基。研究以金刚石为平台，通过电子辐照或氮离子注入在晶格中随机产生氮空位（NV）色心，并结合天然存在的碳-13同位素（丰度1.1%）所引发的核自旋耦合，构建出三维空间内兼具位置随机性、取向各向异性及量子自旋多重态的复杂编码系统。结果表明：单个1纳米特征区域的香农熵高达17.49，意味着理论编码空间超过10^9869种组合；50微米×50微米面积的标签即可容纳约1875个NV色心，每个都携带独特‘原子指纹’；该PUF在强酸、高温等极端环境下性能几乎不变（处理前后二进制密钥汉明距离仅0.0136），且无法被任何现有技术复制——因为精确复现原子构型不仅受限于当前工艺极限，更受量子力学概率本质的根本制约。进一步地，研究将该PUF直接应用于信息安全：既可作为真随机数发生器生成加密密钥，又能与确定性写入的GR1色心存储单元集成，实现‘光学密钥+自旋密钥’双层加密，成功演示了从数据存储、加密到解密的全链路片上安全方案。该技术不局限于金刚石，还可拓展至碳化硅、氮化镓、硅及稀土掺杂晶体等多种材料体系，为芯片防伪、安全标签、抗量子加密等下一代硬件安全提供普适、可靠、可扩展的新范式。