导读

如今各行各业都被假货影响，防伪技术又总是遭到不法分子破解。然而，最近来自英国兰卡斯特大学的研究人员发明了一项专利技术，利用石墨烯和其他二维材料的“缺陷”，创造出无法复制的、原子级的唯一标识。用户只要用手机扫描一下标签，就可以判断出商品真伪。

关键字

防伪、量子、石墨烯

背景

如今，形形色色的假货充斥着各行各业，例如假药、假酒、假币、假证件、假衣服、假电子产品等等。不少消费者被假货伤害过，轻则带来经济损失，重则威胁生命安全。现在的造假技术也越来越高超，让普通消费者难辨真伪。

（图片来源：兰卡斯特大学）

另外，随着物联网技术蓬勃发展，各种联网的智能系统中使用的芯片和电子元器件也变得更多，例如无人驾驶汽车制动系统的部件、智能硬件使用的各种芯片等等，它们也更加需要完善的防伪认证。

所以，各种防伪和安全认证技术应运而生，其中比较著名的有密码技术、RFID技术、全息技术、指纹识别技术、虹膜识别技术，以及笔者曾介绍过的纳米水印防伪技术等等。但是，这些宏观级别的防伪技术往往会存在一些漏洞，让不法分子有机可乘，他们会采取拷贝、克隆、欺骗等等种种手段破解现有的防伪技术。

创新

针对上述问题，最近来自英国兰卡斯特大学以及其衍生公司 Quantum Base 的研究人员走入了微观领域，发明了一项新型专利技术，它基于石墨烯或者其他二维材料中的不规则性，创造出无法复制的、原子级的唯一标识。

这种量子技术为产品创造出一种原子级的“指纹”，用户可以通过智能手机扫描这种标签，与数据库中的记录进行对比，判断出商品的真伪。研究人员称，这项技术有望彻底消除伪造数字身份的假货。

（图片来源：兰卡斯特大学）

技术

这项技术如何防伪？

我们还是从最重要的部分二维材料石墨烯说起。石墨烯，笔者以往多次介绍，它既是最薄的材料，又是最强韧的材料，还具有优异的导电、导热性能。它只有一层原子的厚度，属于二维材料的一种。

然而，二维材料的原子也会产生缺陷，每片区域的石墨烯总会出现不规则的缺陷，而且这种缺陷几乎是无法复制的。

（图片来源：兰卡斯特大学）

当光线照射这些二维材料时，这些微小的缺陷会使材料发光。

（图片来源：兰卡斯特大学）

对于二维材料一小片区域来说，其发出的光线代表了一种独特的信号，而智能手机通过摄像头可以捕捉到这种信号。

（图片来源：兰卡斯特大学）

然后，这种信号将被转化为一种数字序列，也就是所谓的“数字指纹”。

（图片来源：兰卡斯特大学）

这些“小薄片”对于人眼来说通常是不可见的，只有人类头发丝厚度的千分之一。由这些小薄片制成的标签可以被添加到我们日常生活用品中，例如货币、信用卡、护照和车票等。然后，我们通过智能手机应用程序可以对它进行拍照，分析出这些小薄片的独特信号，从而根据“指纹”正确与否，判断产品的真伪。

（图片来源：兰卡斯特大学）

光学量子ID技术

以上介绍的防伪技术的核心就是光学量子ID技术。而光学量子ID技术的基础就是二维材料原子级别的缺陷（不规则性），也正是这些缺陷制造了难以复制的“指纹”。研究人员利用简单的光学技术，例如智能手机的摄像头，就可以读取二维材料纳米级的缺陷。

由于晶体生产或者制造期间产生的缺陷，会带来二维材料能带隙的空间差异，而这种差异可以通过光激发光的方式测量到。当纳米晶体材料被照射的时候，例如使用蓝色火炬，光子会被吸收，从而激发电子跃迁到更高能级。然而，这些高能电子很快又会释放出一些能量，从而使得纳米晶体发光。原子级的缺陷改变了纳米晶体的组织、尺寸和形状，使我们能从它发出的光线中获取独特的光学签名。

电子量子ID技术

早在2015年11月份的时候，该校就开发出了一种电子量子ID技术。在这里，我顺便简单介绍一下，电子在原子级别受限移动的时候，它们只能位于特定的能级上。因此，它们对于原子级的缺陷是敏感的。那么，研究人员围绕这个原则设计出这种小型的半导体二极管。

在普通的导线中，电子的能级可以是任何值，因为电子可以自由移动。而在一些能量位垒例如晶格中，电子却具有特定的能量，这也称为“量子限域”效应。在每次二极管制造的时候，其量子限域都会发生微小的变化，这样也就为每个设备带来了一个独特的签名。

（图片来源：兰卡斯特大学）

一般来说，传统芯片采用存储密钥进行鉴权的方式，但是它有可能被窃取和破解。然而，这项技术依赖于设备制造时的随机性，从而有效地防止了克隆。

这项技术可以很容易地集成到现有的芯片制造工艺中，从而降低大规模生产的成本。它还具有许多附加功能，比如可追溯产品的整个供应链，寻址单个产品，便于进行市场营销和质量控制。

为什么难以复制？

这就要从原子世界说起。对于原子级的微观世界，科学家会采用较为特殊的显微镜来观察有关细节，甚至是移动原子。在原子级别，一切都是很独特的。如果要移动原子来克隆特殊的结构，那么难度将是非常惊人的，并且将耗费非常漫长的时间。换句话说，使用目前的技术进行复制将非常困难。

价值

这项技术主要价值，毫无疑问就是在防伪方面，最重要的是做到防止复制，从而显著提高了防伪技术的可靠性。它可以广泛应用于药物和食品包装，鞋子和衣服，货币和证件等产品的防伪。未来，用户只要用自己的智能手机，简单地扫描一下标签，就可以判断相关产品的真伪。

相比于其他的防伪技术，例如全息技术，安全油墨或者标志物，RFID技术等等，这种微型的石墨烯标签完全是独一无二的，很难进行复制。另外，它也具备跟踪功能，如果产品丢失或者被盗，可以随时关闭。

这项专利技术和相关应用有望于2018年上半年面世，未来它将可以固定在任何物体表面，或者任何产品上。

参考资料

【1】http://www.lancaster.ac.uk/news/articles/2017/a-future-without-fakes-thanks-to-quantum-technology/

【2】https://arxiv.org/abs/1706.07949