数十年来的数据安全研究为数字签名和加密等常见任务带来了高度可靠、标准化的工具。但黑客一直在试图破解数据安全创新。当前的信用卡／借记卡技术容易遭受欺诈，使个人资金面临风险。
物理安全——涉及防伪和实物认证——也是问题的一部分。正反双方陷入了一场永无止境的军备竞赛：一方开发难以复制的物品和结构；另一方则试图复制它们，而且往往能够得手。
但我们认为，我们的新发明有望让黑客望尘莫及。这项创新安全措施利用光的量子特性，实现对物品的防欺诈认证。
PUF：公开交锋
这场军备竞赛是在秘密中进行的；公开技术会帮助敌人。因此，没有人知道一项技术究竟有多安全。
值得注意的是，一项名为物理不可克隆函数（PUF）的最新发展，使完全公开成为可能。PUF是一种材料，可以通过多种方式对其进行探测，并产生复杂的响应；该响应精确取决于所施加的挑战以及PUF的内部结构。
最知名的例子是光学PUF。PUF是一种材料——例如含有数百万纳米颗粒的白色涂料——任何照射到它上面的光都会被强烈散射。光在涂料内部来回反射，形成独特图案，可用于认证。光学PUF可用于任何物品，但尤其适用于信用卡／借记卡。
设想你把卡片插入ATM。ATM向卡片上的白色涂料发射激光束。ATM随机生成一道精细、不可预测的光束“形状”（角度、焦点、像素图案），作为挑战。光在PUF内部多次散射，造成大量干涉。
逸出的光就是响应——一种由明暗斑点构成的复杂图案，称为散斑，ATM可以用摄像头记录下来。ATM可以访问PUF注册数据库，因此在你插入卡片时，就知道卡片PUF的特性。ATM会计算反射出的散斑图案应呈现的样子。如果相似度足够高，ATM就会认定卡片是真品。
散斑对挑战和PUF结构的微小变化都很敏感。由于散斑物理过程的复杂性，PUF实际上无法克隆。
制造PUF的过程无需保密，正是因为它们不可克隆：即使你知道制造流程，流程中不可控的随机性仍会阻止你克隆PUF。人们可以组织公开竞赛，并为物理安全建立可靠标准，类似于密码学领域的标准。
数字仿真仍是一个问题
可以设想PUF被精确克隆或在物理层面被精确仿真，尽管这会非常、非常困难。在光学PUF领域，正方在这场军备竞赛中稳居上风。
认证协议面临的更大风险是数字仿真。针对特定PUF的数字仿真攻击包括三个步骤：
首先，黑客测量挑战。在ATM的例子中，挑战就是激光束。
其次，黑客获取对这一挑战的响应。这可以通过查阅预先编制的表格，或运行仿真软件来完成。（请记住，攻击者了解每个PUF的一切，因为这些信息是公开的。）
第三，黑客发出激光，并使其呈现他所判定的正确“响应”散斑图案。
我们关注的是“远程”认证：验证方无法直接控制PUF，而攻击者了解PUF的一切。这种情形通常要求验证方部署防护严密的硬件设备（如ATM），其任务是在不受欺骗的情况下读取PUF。但这会引发第二种军备竞赛，即安全电子设备的设计与硬件破解、仿冒之间的较量。在这种较量中，“正方”往往处于下风。
解决方案：量子读取
几年前，我 意识到，采用量子物理 进行PUF读取，就能彻底消除数字仿真的威胁。
挑战必须是不可预测的量子态——也就是单个光子——它随后与PUF相互作用，并以改变后的量子态返回。验证方要寻找的不是上文所说的“经典”散斑图案，而是处于某个特定复杂量子态的单个光子。
根据量子物理定律，攻击者无法准确确定挑战是什么。如果黑客试图观测光子，就会使量子态坍缩——任何测量尝试都会破坏大部分信息。而量子不可克隆定理指出，不可能制造出一个与量子态完全相同的副本。
攻击者无计可施。不知道挑战是什么，他就不知道该在查询表的哪里寻找响应。而另一方的验证者确切知道预期响应是什么（与攻击者不同，他知道挑战是什么），因此能够判断返回的光子是否处于正确的状态。
尽管量子读取概念的安全性已得到严格证明，但如何在实践中实现量子读取并非一开始就显而易见。
操控光
光子有趣之处在于，它既是粒子也是波。由于它是粒子，你必须将它作为一个完整的能量单位来探测。由于它是波，它会扩散并与自身干涉，形成散斑响应图案。量子光就像一个外观复杂的幽灵。但如何验证单光子散斑图案呢？
2012年， 特温特大学的研究人员 意识到答案就在自己手中。神奇的要素是空间光调制器（SLM），这是一种可重新塑造散斑图案的可编程设备。在实验中，他们对SLM进行编程，使光学PUF的正确响应聚集起来并通过针孔，光子探测器便可在此检测到光子的存在。然而，错误的响应会被转换成随机散斑图案，无法通过针孔。
这种方法被称为 量子安全认证 （QSA）。
量子技术，却不复杂
QSA无需任何秘密，因此不必花钱保护秘密。QSA可以用现成的相对简单技术实现。PUF可以简单到只是一层涂料。
事实证明，挑战不必是单个光子；只要脉冲中的光子数量足够少，弱激光脉冲就足够了。CD播放器中使用的激光二极管随处可见且价格低廉。现代投影仪中已经配备SLM。灵敏的光电二极管或图像传感器可以充当光子探测器。
凭借这些优势，QSA有望大幅提高卡片和其他实体凭证的安全性。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。
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作者：Boris Škorić，埃因霍温理工大学助理教授
图片：一名顾客正在ATM上进行交易。路透社／Laszlo Balogh
