利用铁电畴壁光电子技术实现比特流数据安全

《Materials Today》：Harnessing ferroelectric domain wall optoelectronics for bitstream data security

本文提出基于BiFeO3薄膜导电晶界（CDWs）光电响应的两步加密方法：通过405/520/635nm光激发定义RGB光电流明文，并叠加电脉冲实现非线性扭曲，使图像熵从2.59提升至6.83；再利用晶界电流随机性生成真随机密钥加密，熵值增至7.95，显著抗量子搜索和穷举攻击，为AI/IoT数据安全提供新方案。

　　

刘长东|王文钊|曹天聪|穆罕默德·A·伊斯兰|夏英杰|郑长林|姜俊|顾宗权

复旦大学集成电路与系统国家重点实验室及微电子学院，中国上海200433

摘要

物理属性随机性的固有不可预测性为信息安全应用带来了巨大潜力。本文提出了一种新型加密方法，该方法基于BiFeO₃薄膜中导电畴壁（CDWs）的光电响应，将非线性变换与真正的随机密钥相结合，以提高整体安全性。明文由405、520和635纳米光激发下的波长依赖性光电流定义，每个RGB通道的失真通过额外的电脉冲引入。非线性变换使特征图案隐藏起来，使图像熵从2.59增加到6.83。然后利用畴壁电流（DWCs）的随机波动生成的真正随机密钥进行加密，实现逻辑加密操作。随着相关图从像素间的强相关性转变为非周期性特征图案，图像熵进一步增加到7.95。该加密方法对穷举攻击和量子搜索具有高度抵抗力，且破解时间随密钥长度的增加而对数增长。通过典型的差分攻击、噪声添加和遮挡中断验证了该方案的鲁棒性。这种方法便捷地将两步加密嵌入到导电畴壁的光电响应中，为人工智能（AI）和物联网（IoT）中的数据安全提供了概念验证解决方案。

引言

人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速应用对数据安全提出了严峻挑战[1]、[2]。大量数据传输协议依赖于加密解决方案将明文转换为密文。然而，机器学习[3]、[4]和量子计算[5]、[6]的显著进步使得基于伪随机数生成器（PRNGs）[7]生成的密钥被破解成为可能。人们投入了大量努力来克服基于软件的PRNGs的固有脆弱性，转而利用基于物理变量的真正随机数生成器（TRNGs）[8]的固有随机性。例如，铁电场效应晶体管通过利用固有的开关电流[8]、[9]、[10]以及基于隧穿效应的随机畴开关[11]生成真正随机数。尽管这些基于铁电的TRNG技术提供了理论上安全的密钥来源，但这些解决方案受到破坏性开关和单晶体管单电容器（1T1C）器件结构的尺寸限制。

除了加密步骤外，理想的安全解决方案还应首先对明文进行非线性变换，以消除统计模式并降低明文泄露的风险[12]。如果没有非线性变换，系统可能会遭受严重的安全漏洞，因为可以通过统计分析识别出明文的某些特征[13]、[14]。因此，数据加密的整体安全性需要在使用密钥的操作之前引入非线性变换。尽管基于硬件的TRNG创新取得了很大进展[9]、[10]、[11]、[15]、[16]、[17]，但很少有研究关注利用物理特性在加密操作之前进行非线性变换[18]、[19]、[20]。迄今为止，文献中通常将这两步分开处理：一些工作仅关注非线性变换而不进行进一步的加密操作[15]、[16]、[21]，或者实现了加密但缺乏第一步的整合[9]、[22]、[23]。

有必要将这两步纳入一个统一的框架中，预计当前的TRNG解决方案中已经包含了这一潜在的解决方案，从而避免设备集成中的硬件复杂性[23]、[24]、[25]。这种策略得益于在BiFeO₃薄膜的纳米尺度界面之间发现的一种新型导电路径[26]。研究发现，沿畴壁的导电性比畴内的导电性高几个数量级，并且可以通过外部电场在生成畴壁电流（DWCs）时无需畴开关即可读取这些电流[27]。通过电流进行非破坏性信息检索使其成为TRNGs的合适原型。重要的是，畴壁具有电子带隙[28]，其光电响应已被用于光伏[29]、光催化[30]、光电探测器[31]和神经形态计算[32]、[33]、[34]等领域。因此，畴壁允许光激发，并且向背景DWCs添加光电流可以扭曲原始信息，从而实现非线性变换的步骤。然而，关于铁电畴壁及其光电响应在数据加密中的应用报道很少。

在这项工作中，观察到BiFeO₃薄膜中导电畴壁（CDWs）的明显特征，并在其光电响应中编码了两步比特流数据加密架构。405、520和635纳米光刺激下的激发响应对应于RGB颜色中的蓝色、红色和绿色，而波长依赖性的光电流添加被定义为明文。通过在光激发上叠加电脉冲引入失真，协同控制将明文转换为无序的马赛克。这种混淆提高了熵值，成功隐藏了明文的特征图案。然后利用DWCs的随机波动生成的真正随机比特流对马赛克进行加密，DWCs作为物理熵源。相关图显示了从像素间的强相关性到非周期性排列的均匀分布的转变。该方法对差分攻击、噪声添加和遮挡中断具有高度抵抗力，为比特流数据加密提供了一个高效的平台。

部分摘录

CDWs的可逆电读出

BiFeO₃薄膜通过脉冲激光沉积技术在SrTiO₃（100）衬底（2°错切）上外延生长，并以SrRuO₃层作为底电极（注S1）。这些薄膜是单晶的，从2θ = 20°到60°具有钙钛矿相（图1a）。SrTiO₃的（013）衍射条件下的倒易空间映射显示了薄膜中的应变松弛（图1b）。在高角度环形暗场（HAADF）图像中清晰地看到了定义明确的异质结构

结论

总之，我们展示了一种基于BiFeO₃薄膜中CDWs光电响应的两步比特流数据加密方案。405、520和635纳米光刺激下的激发光电流构成了RGB响应，并定义了明文。通过额外的电脉冲引入的失真将明文转换为无序的马赛克。这一步成功地隐藏了特征图案，使图像熵从2.59增加到6.83。

CRediT作者贡献声明

刘长东：可视化、资源管理、方法论、数据分析、概念化。王文钊：可视化、数据管理。曹天聪：验证、研究、数据管理、概念化。穆罕默德·A·伊斯兰：撰写——审稿与编辑。夏英杰：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、概念化。郑长林：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。姜俊：撰写——审稿与编辑、监督。顾宗权：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

刘C和顾Z获得了中国国家自然科学基金（项目编号62004043）的财政支持。顾Z还获得了集成电路与系统国家重点实验室（项目编号SKLICS Z202314）、上海市科学技术委员会（项目编号20501130600）以及复旦大学初创企业的财政支持。顾Z还获得了上海启明星计划（项目编号20QA1401000）和Edwards公司的慷慨赞助