Podemos imaginar que a corrente elétrica flui suavemente, até mesmo fluxo de elétrons através de nossos dispositivos eletrônicos, mas, na escala quântica, o fluxo da corrente elétrica pode ser mais precisamente representado como um riacho borbulhante contendo muitas ondulações minúsculas. Essas ondulações podem ser causadas por efeitos de um único elétron, que surgem devido à repulsão entre elétrons confinados em espaços muito pequenos, como locais de armadilha em transistores. Os efeitos de um único elétron podem levar a pequenas alterações nas características de corrente-tensão desses dispositivos.

Como os locais de armadilha são basicamente pequenos defeitos que são distribuídos aleatoriamente de forma incontrolável durante a fabricação, o número, localização, e os níveis de energia dos locais de armadilha diferem para cada transistor. Como resultado, efeitos de elétron único levam a uma modificação única nas características de corrente-tensão, efetivamente dando a cada transistor uma "impressão digital" única.

Recentemente, pesquisadores têm investigado como essas impressões digitais quânticas podem um dia ser usadas como uma forma barata de identificação para proteger as informações pessoais dos usuários para tecnologias na rede emergente de dispositivos conectados à Internet, conhecida como Internet das Coisas.

Em um novo artigo publicado em Cartas de Física Aplicada , físicos T. Tanamoto e Y. Nishi da Toshiba Corporation em Kawasaki, Japão, e K. Ono na RIKEN em Saitama, Japão, demonstraram que efeitos de elétron único podem ser detectados por algoritmos de reconhecimento de imagem e usados ​​para identificação e segurança de chip de computador.

"Até aqui, nenhuma aplicação difundida existe para dispositivos de elétron único, "Tanamoto disse Phys.org . "Nossa pesquisa abre uma maneira diferente de usar o efeito do elétron único:como um dispositivo de segurança. A importância da segurança está aumentando a cada dia."

Como explicam os físicos, a impressão digital de um dispositivo eletrônico pode ser considerada uma função fisicamente não clonável (PUF). Como uma impressão digital humana, PUFs são baseados em variações físicas que ocorrem naturalmente e não podem ser transferidas para outros dispositivos. Além disso, Os PUFs mantêm seus principais recursos ao longo da vida útil do dispositivo, apesar de alguma degradação devido aos efeitos do envelhecimento.

Em seu trabalho, os físicos aplicaram algoritmos de combinação de imagens para identificar diferentes características de corrente-tensão chamadas diamantes de Coulomb. Os diamantes de Coulomb são assim chamados porque as regiões de um diagrama de corrente-tensão em que a corrente é suprimida por efeitos de um elétron às vezes têm a forma de um diamante. Conforme o número de locais de armadilha aumenta, os padrões de diamante porque mais complexos.

Assim como as impressões digitais humanas mudam dependendo das condições, como estar molhado, seco, ou oleoso, as imagens do diamante de Coulomb também podem parecer ligeiramente diferentes quando medidas em condições diferentes. Apesar dessas variações, os pesquisadores demonstraram que a detecção de recursos atualmente disponíveis e os algoritmos de combinação de imagens podem extrair com sucesso os principais recursos (como cantos e bordas) e distinguir entre diferentes diamantes Coulomb.

Uma das vantagens do método é que, embora um chip de computador comum hoje contenha mais de um bilhão de transistores, apenas um único transistor é necessário para gerar a impressão digital de todo o chip. Isso torna potencialmente viável o uso deste método para dispositivos práticos, uma vez que apenas um transistor precisa ser medido.

Por outro lado, ainda existem desafios que permanecem antes de implementar o método. Por uma coisa, os diamantes de Coulomb aqui foram medidos em temperaturas criogênicas de cerca de 1,5 graus acima do zero absoluto. Pesquisas anteriores mostraram que é possível medir os efeitos de um único elétron à temperatura ambiente, mas atualmente essa capacidade requer processos de fabricação caros.

No futuro, os físicos planejam explorar outras maneiras de transistores de impressão digital. Uma possibilidade é medir o comportamento do spin-qubit dos elétrons em armadilhas, já que se espera que esses comportamentos quânticos sejam afetados pelas armadilhas. Tal como acontece com os efeitos de um único elétron, espera-se que a distribuição única e aleatória de armadilhas nos transistores resulte em uma impressão digital única para cada transistor. Daqui para frente, os pesquisadores também gostariam de investigar maneiras de implementar a segurança da impressão digital do transistor em futuros computadores quânticos.

"Os computadores quânticos são uma das questões mais importantes no momento, "Tanamoto disse." Gostaríamos de combinar nosso PUF quântico no sistema de segurança de computadores quânticos no futuro. "

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