近日，我室夏慷蔚教授等人在物理不可克隆函数（physical unclonable functions，PUFs）领域取得突破性进展，成功研发基于金刚石氮-空位（NV）色心量子指纹的原子级物理不可克隆函数。该方法利用材料内部原子尺度的本征随机性，结合量子精密测量技术，构建出兼具高熵编码与三维空间不可克隆特性的量子防伪标签，为物理防伪与信息安全提供了新一代量子增强解决方案。相关研究成果于2026年3月18日以“Atomic-scale physical unclonable functions in solids”为题发表于《科学进展》（Science Advances）。

在物联网和大数据时代，硬件和信息安全面临日益严峻的挑战。物理不可克隆函数作为一种基于物理随机性的安全机制，能够生成唯一、不可预测且抗克隆的物理“指纹”，在芯片认证、防伪溯源及信息加密等领域具有广泛的应用。然而，传统的物理不可克隆函数多依赖于材料表面通过旋涂形成的微纳尺度特征，不仅易受环境扰动影响，且随着微纳加工精度的提升，其不可克隆性正面临被高精度复制的挑战。

针对上述难题，研究团队创新性地提出利用材料内部原子尺度的本征随机性，在固体内部构建三维分布的原子级物理不可克隆函数。固体中的杂质、空位缺陷和同位素等原子级特征，共同构成了复杂且随机的原子构型。以在科研与工业领域广泛使用的金刚石为例，团队结合NV色心制备的随机性与材料固有的碳-13同位素分布随机性，引入量子精密测量技术，提取出具备高熵值的光学和自旋响应机制。在1纳米的特征尺度下，该原子构型的香农熵高达17.49，远超传统物理不可克隆函数单个像素的典型熵值范围（1-3）。由于复制该原子构型需要单原子水平的物质构筑能力，这远超现有微纳加工技术的极限，从而从物理本质上确保了其不可克隆的安全性。进一步地，团队结合高精度色心制备技术，实现了该原子级物理不可克隆函数标签的批量制备，展示了其编码空间的可拓展性。

图1.（a）原子级物理不可克隆函数结构示意图；（b）物理不可克隆函数标签的荧光扫描图像；（c）从标签提取出的光学信息编码矩阵；（d）不同尺度物理不可克隆函数的单像素响应（R）典型值对比。

在稳定性方面，金刚石优异的物理化学性质保障了标签的鲁棒性。实验表明，即使经历高温、强酸环境乃至长达数月的存储，标签的响应特征依然保持高度一致。此外，该原子级物理不可克隆函数架构具备良好的材料普适性，理论上可推广至其它存在丰富光学缺陷的半导体材料，在可扩展的硬件认证、安全电子设备与高端防伪技术等领域具有广阔的应用前景。

该研究团队长期致力于固态发光点缺陷的高精度制备、量子调控及高性能器件的开发，系统开展了基于固态掺杂稀土离子、金刚石色心等多种体系的经典和量子信息应用研究。团队此前已提出并实现了多种原创性方法，包括基于金刚石中发光点缺陷的高密度高可靠性光学信息存储【Nat. Photon. 18, 1327–1334 (2024)】，以及基于固态掺杂稀土离子的可擦写信息存储【Laser Photon. Rev. 18, 2301024 (2024)】等。通过持续发展新技术，团队不断挖掘固态色心体系的应用潜力。本项研究是团队在光学信息存储与防伪领域的最新突破，进一步拓展了固态发光点缺陷体系在信息安全与防伪加密方面的应用边界。

我室特任副研究员柴梓华为论文第一作者，夏慷蔚教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等多个项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aed3987