Generation and extraction of device fingerprints (quantum fingerprints) based on physics of spin qubits
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22K03497
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | Teikyo University |
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Principal Investigator |
棚本 哲史 帝京大学, 理工学部, 教授 (80393875)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大野 圭司 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00302802)
平本 俊郎 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20192718)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
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| Keywords | 量子指紋 / スピン量子ビット / PUF / 量子セキュリティ / シリコンナノワイヤー / 量子リザバー計算 |
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| Outline of Research at the Start |
多くの電子機器がインターネットに接続できる時代が到来した。しかし、個人情報の漏洩などのセキュリティの課題が増加し、年々発達するハッキング技術に対処すべきセキュリティ技術の高度化が喫緊の課題となっている。本研究は、デバイスのセキュリティ強化の一つであるデバイス指紋の量子化を目的とする。特に、汎用トランジスタ内にランダムに存在する欠陥に局在する量子スピンの状態をデバイス指紋として利用する技術の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、量子指紋の検討と同時に、スピン量子ビットの活用という観点で研究を行った。量子指紋については、研究分担の平本研で作成された3nmと4nmの評価方法について引き続き検討を行っている。また、電流電圧特性データを単体ではなく、ウェハー内の素子全体の合成データとして取り込み、その統計性の評価を行ってみた。つまり、すべての素子のデータを一緒にプロットし、多数曲線の像を指紋として、画像処理を行った。電流電圧特性間の違いは素子によって大きな違いは見られないが、ウェハー全体としては、特徴を抽出することができたのではないかと思われる。以上は、まだ論文化には至っていないので、次年度は、より精緻な検討をして、論文化を目指したい。
また、スピン量子ビットの素子間特異性という観点から、リザバー計算への可能性を探求した。スピンのアレイが特徴的な振る舞いを示す典型例として、量子リザバー計算への理論的検討を行った。量子リザバーの研究は核磁気共鳴として、量子スピンへの適用例が有名であるが、シリコン基板上のスピンアレイについては十分な検討が行われていない。我々は、スピン量子ビットをハイゼンベルグモデルとして記述し、時間発展方程式を解くことにより、リザバーとして性能を調べた。その結果、系の散逸の大きさがリザバーの性能と強く関係していることを示した。
さらに他のプロジェクトとも関連するが、集積回路としてのシリコン量子ビット系の理論的考察も行った。そして、3次元構造として、シリコン量子ビット系を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
量子指紋として、ナノワイヤートランジスタを評価する方法をこれまで様々な角度で試してきたが、本年度、ようやく、判別方法として、適切な方法を同定するに至った。次年度は、この方法を精錬させ、論文発表したいと考えている。また、量子指紋を実現する系として、実験的に一番アクセスしすいのはシリコン量子ビットアレイである。この系は現在、多くの実験家が量子コンピュータとして研究しているが、我々は、量子リザバー系としてとらえ、その性質を明らかにしつつある。現在、この結果は国際会議に投稿中であり、論文の準備も行っている。また、製品レベルとして、この系を実現するには現状のシリコンのテクノロジーが欠かせない。現状のシリコン半導体は３次元化が実用になりつつあり、検討の結果、３次元化が量子ビット系としても理想的であることを明らかにした以上の理由で概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画時点で検討した電流電圧特性は、クーロンブロッケイド現象などの二次元的特徴がない今回の場合、単純には適用できないことがわかってきたため、全体の統計性や、暗号理論の手法の検討を始め、手がかりをつかんだ。まだ、途中段階なので、論文までは至っていないが、2024年度中には論文を執筆し、学会等で発表したいと考えている。
次に、量子指紋系を実験可能な系として、最短で実験できるのは、スピン量子ビットのアレイである。この系に特徴なシステムとして、量子リザバー計算が考えれ、2023年度にその最初の特徴を調べることができた。従来の量子リザバーと違う点は、入力と読み出し方法であり、2024年度は、実験家が、すぐに実験できるような量子リザバー計算の手法を開拓していきたいと考えている。従来の量子リザバー計算は、入力に高度な量子ビット制御が必要だった点を改良し、量子ビットの制御の簡便化を計りたいと考えている。
また、最終的な製品の姿を考慮し、これから市場に出ることが計画されている3次元構造を取り入れたスピン量子ビットシステムのさらに詳細な検討も行っていきたいと考えている。
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Report
(2 results)
Research Products
(2 results)
