Potremmo immaginare che la corrente elettrica fluisca come un flusso regolare, anche flusso di elettroni attraverso i nostri dispositivi elettronici, ma su scala quantistica il flusso di corrente elettrica potrebbe essere rappresentato più accuratamente come un ruscello gorgogliante contenente molte piccole increspature. Queste increspature possono essere causate da effetti del singolo elettrone, che nascono per repulsione tra elettroni confinati in spazi molto piccoli, come i siti trap nei transistor. Gli effetti del singolo elettrone possono portare a piccoli cambiamenti nelle caratteristiche di tensione di corrente di questi dispositivi.

Poiché i siti delle trappole sono fondamentalmente piccoli difetti che vengono distribuiti casualmente in modo incontrollabile durante la fabbricazione, il numero, Posizione, e i livelli di energia dei siti di trappola differiscono per ogni transistor. Di conseguenza, gli effetti del singolo elettrone portano a una modifica unica nelle caratteristiche di corrente-tensione, conferendo efficacemente a ciascun transistor una "impronta digitale" unica.

Recentemente, i ricercatori hanno studiato come queste impronte digitali quantistiche potrebbero un giorno essere utilizzate come forma economica di identificazione per proteggere le informazioni personali degli utenti per le tecnologie nella rete emergente di dispositivi connessi a Internet nota come Internet of Things.

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di fisica applicata , i fisici T. Tanamoto e Y. Nishi presso la Toshiba Corporation di Kawasaki, Giappone, e K. Ono al RIKEN di Saitama, Giappone, hanno dimostrato che gli effetti del singolo elettrone possono essere rilevati da algoritmi di riconoscimento delle immagini e utilizzati per l'identificazione e la sicurezza dei chip dei computer.

"Finora, non esiste un'applicazione diffusa per i dispositivi a singolo elettrone, "Ha detto Tanamoto Phys.org . "La nostra ricerca apre un modo diverso di utilizzare l'effetto del singolo elettrone:come dispositivo di sicurezza. L'importanza della sicurezza sta aumentando di giorno in giorno".

Come spiegano i fisici, l'impronta digitale di un dispositivo elettronico può essere pensata come una funzione fisicamente non clonabile (PUF). Come un'impronta digitale umana, I PUF si basano su elementi unici, variazioni fisiche naturali e non possono essere trasferite ad altri dispositivi. Inoltre, I PUF mantengono le loro caratteristiche chiave per tutta la durata del dispositivo, nonostante qualche degrado dovuto agli effetti dell'invecchiamento.

Nel loro lavoro, i fisici hanno applicato algoritmi di corrispondenza delle immagini per identificare diverse caratteristiche di tensione di corrente chiamate diamanti di Coulomb. I diamanti di Coulomb sono così chiamati perché le regioni di un diagramma corrente-tensione in cui la corrente è soppressa dagli effetti del singolo elettrone a volte hanno la forma di un diamante. All'aumentare del numero di siti di trappole, le rombi perché più complesse.

Proprio come le impronte digitali umane cambiano a seconda delle condizioni, come essere bagnato, asciutto, o oleoso, le immagini del diamante Coulomb possono anche apparire leggermente diverse se misurate in condizioni diverse. Nonostante queste variazioni, i ricercatori hanno dimostrato che gli algoritmi di rilevamento delle caratteristiche attualmente disponibili e di corrispondenza delle immagini potrebbero estrarre con successo le caratteristiche chiave (come angoli e bordi) e distinguere tra diversi diamanti Coulomb.

Uno dei vantaggi del metodo è che, sebbene un chip di computer medio oggi contenga più di un miliardo di transistor, è necessario un solo transistor per generare l'impronta digitale per l'intero chip. Ciò rende potenzialmente fattibile l'utilizzo di questo metodo per dispositivi pratici, poiché è necessario misurare un solo transistor.

D'altra parte, ci sono ancora sfide che rimangono prima di implementare il metodo. Per una cosa, i diamanti di Coulomb qui sono stati misurati a temperature criogeniche di circa 1,5 gradi sopra lo zero assoluto. Ricerche precedenti hanno dimostrato che è possibile misurare gli effetti del singolo elettrone a temperatura ambiente, ma attualmente questa capacità richiede costosi processi di fabbricazione.

Nel futuro, i fisici hanno in programma di esplorare altri modi per rilevare le impronte digitali dei transistor. Una possibilità è misurare i comportamenti spin-qubit degli elettroni nelle trappole, poiché ci si aspetta che questi comportamenti quantistici siano influenzati dalle trappole. Come per gli effetti a singolo elettrone, si prevede che la distribuzione univoca e casuale delle trappole nei transistor risulterà in un'impronta digitale univoca per ciascun transistor. Andando avanti, i ricercatori vorrebbero anche studiare i modi per implementare la sicurezza delle impronte digitali dei transistor nei futuri computer quantistici.

"I computer quantistici sono uno dei problemi più scottanti in questo momento, " ha detto Tanamoto. "Vorremmo combinare il nostro PUF quantistico nel sistema di sicurezza dei computer quantistici in futuro".

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