On pourrait imaginer que le courant électrique circule comme un même flux d'électrons à travers nos appareils électroniques, mais à l'échelle quantique, le flux de courant électrique pourrait être représenté plus précisément comme un ruisseau bouillonnant contenant de nombreuses petites ondulations. Ces ondulations peuvent être causées par des effets à un seul électron, qui surviennent en raison de la répulsion entre les électrons confinés dans de très petits espaces, tels que les sites pièges dans les transistors. Les effets d'un seul électron peuvent entraîner de minuscules changements dans les caractéristiques courant-tension de ces dispositifs.

Comme les sites pièges sont essentiellement de minuscules défauts qui sont distribués de manière aléatoire de manière incontrôlable pendant la fabrication, le nombre, emplacement, et les niveaux d'énergie des sites pièges diffèrent pour chaque transistor. Par conséquent, les effets monoélectroniques conduisent à une modification unique des caractéristiques courant-tension, donnant efficacement à chaque transistor une "empreinte digitale" unique.

Récemment, les chercheurs ont étudié comment ces empreintes digitales quantiques pourraient un jour être utilisées comme une forme d'identification peu coûteuse pour protéger les informations personnelles des utilisateurs pour les technologies du réseau émergent d'appareils connectés à Internet connu sous le nom d'Internet des objets.

Dans un nouvel article publié dans Lettres de physique appliquée , les physiciens T. Tanamoto et Y. Nishi de la Toshiba Corporation à Kawasaki, Japon, et K. Ono à RIKEN à Saitama, Japon, ont démontré que les effets d'un seul électron peuvent être détectés par des algorithmes de reconnaissance d'images et utilisés pour l'identification et la sécurité des puces informatiques.

"Jusque là, aucune application répandue n'existe pour les dispositifs à un seul électron, " a dit Tanamoto Phys.org . "Nos recherches ouvrent une manière différente d'utiliser l'effet à électron unique :en tant que dispositif de sécurité. L'importance de la sécurité augmente de jour en jour."

Comme l'expliquent les physiciens, l'empreinte digitale d'un appareil électronique peut être considérée comme une fonction physiquement non clonable (PUF). Comme une empreinte digitale humaine, Les PUF sont basés sur des variations physiques naturelles et ne peuvent pas être transférées à d'autres appareils. En outre, Les PUF conservent leurs principales caractéristiques tout au long de la durée de vie de l'appareil, malgré une certaine dégradation due aux effets du vieillissement.

Dans leur travail, les physiciens ont appliqué des algorithmes d'appariement d'images afin d'identifier différentes caractéristiques courant-tension appelées diamants de Coulomb. Les diamants de Coulomb sont ainsi nommés parce que les régions d'un diagramme courant-tension dans lequel le courant est supprimé par les effets d'un seul électron ont parfois la forme d'un diamant. À mesure que le nombre de sites de piégeage augmente, les losanges car plus complexes.

Tout comme les empreintes digitales humaines changent selon les conditions, comme être mouillé, sécher, ou huileux, les images du diamant de Coulomb peuvent également sembler légèrement différentes lorsqu'elles sont mesurées dans des conditions différentes. Malgré ces variations, les chercheurs ont démontré que les algorithmes de détection de caractéristiques et de correspondance d'images actuellement disponibles pouvaient extraire avec succès les caractéristiques clés (telles que les coins et les bords) et faire la distinction entre les différents diamants de Coulomb.

L'un des avantages de la méthode est que, bien qu'une puce informatique moyenne contienne aujourd'hui plus d'un milliard de transistors, un seul transistor est nécessaire pour générer l'empreinte digitale de l'ensemble de la puce. Cela rend potentiellement possible l'utilisation de cette méthode pour des dispositifs pratiques, puisqu'un seul transistor doit être mesuré.

D'autre part, il reste encore des défis à relever avant de mettre en œuvre la méthode. Pour une chose, les diamants de Coulomb ici ont été mesurés à des températures cryogéniques d'environ 1,5 degré au-dessus du zéro absolu. Des recherches antérieures ont montré qu'il est possible de mesurer les effets d'un seul électron à température ambiante, mais actuellement cette capacité nécessite des procédés de fabrication coûteux.

À l'avenir, les physiciens envisagent d'explorer d'autres moyens de prendre des empreintes digitales des transistors. Une possibilité est de mesurer les comportements spin-qubit des électrons dans les pièges, car ces comportements quantiques devraient être affectés par les pièges. Comme pour les effets à électron unique, la distribution unique et aléatoire des pièges dans les transistors devrait se traduire par une empreinte unique pour chaque transistor. Aller de l'avant, les chercheurs aimeraient également étudier les moyens de mettre en œuvre la sécurité des empreintes digitales des transistors dans les futurs ordinateurs quantiques.

"Les ordinateurs quantiques sont l'un des problèmes les plus brûlants en ce moment, " a déclaré Tanamoto. "Nous aimerions combiner notre PUF quantique dans le système de sécurité des ordinateurs quantiques à l'avenir."

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