基于纳米种子的物理不可克隆函数实现按需加密：突破安全性与存储容量的权衡难题

针对传统物理不可克隆函数(PUF)在安全性与存储容量间的矛盾，研究人员开发了一种基于PbS量子点(PbS QDs)和Ag纳米晶体(Ag NCs)的纳米种子PUF系统。通过光学与电学双重随机性并行操作及"shuffling"加密算法，实现了>1058741 mm?2的密钥生成能力，其汉明距离接近理想值。该技术为物联网设备提供了制造商/用户友好的无存储按需加密方案。

　　

随着物联网(IoT)设备的爆炸式增长，信息安全面临前所未有的挑战。传统加密技术依赖于软件算法，而物理不可克隆函数(PUF)作为一种硬件加密原语，利用制造过程中的物理随机性生成独特"指纹"，理论上具有更高安全性。然而现有PUF技术陷入两难困境：弱PUF(Weak PUF)虽结构简单但易受机器学习攻击，强PUF(Strong PUF)安全性高却需要海量存储挑战-响应对(CRP)。这种安全性与存储需求的根本矛盾，严重制约了PUF在资源受限的IoT设备中的应用。

针对这一瓶颈，某研究机构团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果，提出基于纳米种子的双模态PUF系统。研究人员采用单步配体交换法，将PbS量子点(PbS QDs)和银纳米晶体(Ag NCs)混合制备量子点-纳米晶体杂化薄膜(QNHFs)，通过CsPbBr₃(CPB)钙钛矿颗粒的选择性生长，在同一系统中集成光学PL图案和电学渗流路径两种独立随机源。关键技术包括：1) 4.5 nm PbS QDs与4.0 nm Ag NCs的尺寸匹配合成；2) 通过Voronio镶嵌和香农熵量化纳米颗粒空间随机性；3) 二维渗流模型优化PbS体积分数(Φ_PbS=20-40 v/v%)；4) 基于智能手机CMOS的图像熵分析(LZ熵0.413±0.048)；5) 电极排列组合实现₁₀₀P₆₄≈2.51×10¹¹⁶种电学挑战。

RESULTS部分揭示了以下重要发现：

1. 结构表征显示CPB钙钛矿优先在PbS QDs的(100)晶面生长，形成尺寸/形状随机的单层颗粒，TEM确认d间距5.8 ?的CPB与3.0 ?的PbS共存。
2. 熵分析证实QNHFs符合泊松圆盘分布，香农熵达最大值，PbS QDs与Ag NCs呈现理想非聚集态混合。
3. 光学PUF的PL图案经智能手机采集后，LZ熵(0.413±0.048)、样本熵(0.160±0.026)和排列熵(1.39±0.153)显著高于规则阵列(如2D方晶格熵值低3个数量级)，汉明距离(HD)达0.500±0.019。
4. 电学PUF在Φ_PbS=30 v/v%时渗流路径复杂度最高，100个电极(间距50 μm)的随机组合使电阻波动最大化，标准偏差显著增大。
5. 通过"shuffling"算法将光学密钥(图像特征)与电学密钥(电阻排序)双重加密，实现CRP空间>10⁵⁸⁷⁴¹ mm^?2，远超传统强PUF。

DISCUSSION部分强调，该研究通过材料本征随机性(非伪随机种子)解决了PUF的核心矛盾：1) 光学与电学PUFs的并行操作兼具弱PUF的易用性和强PUF的安全性；2) 纳米种子表面化学设计使PbS QDs与Ag NCs在相同介质中保持独立随机性；3) 智能手机演示验证了无需存储的按需认证，RFID模块与MCU(微控制单元)集成实现商业化应用。

这项研究为IoT安全提供了范式转变：通过量子点-纳米晶体杂化系统的多物理场耦合，首次在单一硬件中实现光学/电学双重加密，其密钥空间理论上可覆盖全球每平方毫米布置10⁵⁸⁷⁴¹个唯一密钥。这种"所见即所加密"的技术路径，既规避了软件加密的算法漏洞，又突破了硬件加密的存储限制，为边缘计算设备的安全架构开辟了新方向。