Podríamos imaginar que la corriente eléctrica fluye como una suave, incluso flujo de electrones a través de nuestros dispositivos electrónicos, pero a escala cuántica, el flujo de corriente eléctrica podría representarse con mayor precisión como un arroyo burbujeante que contiene muchas ondas diminutas. Estas ondas pueden ser causadas por efectos de un solo electrón, que surgen debido a la repulsión entre electrones confinados en espacios muy pequeños, como sitios de trampa en transistores. Los efectos de un solo electrón pueden provocar pequeños cambios en las características de corriente-voltaje de estos dispositivos.

Como los sitios de trampa son básicamente pequeños defectos que se distribuyen aleatoriamente de manera incontrolable durante la fabricación, el número, localización, y los niveles de energía de los sitios de las trampas difieren para cada transistor. Como resultado, Los efectos de un solo electrón conducen a una modificación única en las características de corriente-voltaje, dando a cada transistor una "huella digital" única.

Recientemente, Los investigadores han estado investigando cómo estas huellas dactilares cuánticas podrían algún día usarse como una forma económica de identificación para proteger la información personal de los usuarios para las tecnologías en la red emergente de dispositivos conectados a Internet conocida como Internet de las cosas.

En un nuevo artículo publicado en Letras de física aplicada , los físicos T. Tanamoto e Y. Nishi de Toshiba Corporation en Kawasaki, Japón, y K. Ono en RIKEN en Saitama, Japón, han demostrado que los efectos de un solo electrón pueden detectarse mediante algoritmos de reconocimiento de imágenes y utilizarse para la identificación y seguridad de chips informáticos.

"Hasta aquí, no existe una aplicación generalizada para dispositivos de un solo electrón, "Tanamoto dijo Phys.org . "Nuestra investigación abre una forma diferente de utilizar el efecto de un solo electrón:como dispositivo de seguridad. La importancia de la seguridad aumenta día a día".

Como explican los físicos, la huella dactilar de un dispositivo electrónico se puede considerar como una función físicamente imposible de clonar (PUF). Como una huella humana Los PUF se basan en variaciones físicas que ocurren naturalmente y no se pueden transferir a otros dispositivos. Además, Los PUF conservan sus características clave durante toda la vida útil del dispositivo, a pesar de cierta degradación debido a los efectos del envejecimiento.

En su trabajo, los físicos aplicaron algoritmos de comparación de imágenes para identificar diferentes características de corriente-voltaje llamadas diamantes de Coulomb. Los diamantes de Coulomb se denominan así porque las regiones de un diagrama de corriente-voltaje en las que la corriente es suprimida por efectos de un solo electrón a veces tienen la forma de un diamante. A medida que aumenta el número de trampas, los patrones de diamantes porque son más complejos.

Así como las huellas dactilares humanas cambian según las condiciones, como estar mojado, seco, o aceitoso, Las imágenes de diamantes de Coulomb también pueden verse ligeramente diferentes cuando se miden en diferentes condiciones. A pesar de estas variaciones, Los investigadores demostraron que los algoritmos de detección de características y de coincidencia de imágenes actualmente disponibles podían extraer con éxito las características clave (como esquinas y bordes) y distinguir entre diferentes diamantes de Coulomb.

Una de las ventajas del método es que, aunque un chip de computadora promedio hoy en día contiene más de mil millones de transistores, solo se necesita un solo transistor para generar la huella digital de todo el chip. Esto hace que sea potencialmente factible utilizar este método para dispositivos prácticos, ya que solo se necesita medir un transistor.

Por otra parte, todavía hay desafíos que quedan antes de implementar el método. Por una cosa, los diamantes de Coulomb aquí se midieron a temperaturas criogénicas de alrededor de 1,5 grados por encima del cero absoluto. Investigaciones anteriores han demostrado que es posible medir los efectos de un solo electrón a temperatura ambiente, pero actualmente esta capacidad requiere costosos procesos de fabricación.

En el futuro, los físicos planean explorar otras formas de tomar las huellas dactilares de los transistores. Una posibilidad es medir los comportamientos spin-qubit de los electrones en trampas, ya que se espera que estos comportamientos cuánticos se vean afectados por las trampas. Al igual que con los efectos de un solo electrón, Se espera que la distribución única y aleatoria de trampas en los transistores dé como resultado una huella digital única para cada transistor. Avanzando, a los investigadores también les gustaría investigar formas de implementar la seguridad de huellas dactilares de transistores en futuras computadoras cuánticas.

"Las computadoras cuánticas son uno de los problemas más candentes en este momento, ", Dijo Tanamoto." Nos gustaría combinar nuestro PUF cuántico en el sistema de seguridad de las computadoras cuánticas en el futuro ".

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