石墨烯防偽標籤：讓假貨無所遁形！

導讀

如今各行各業都被假貨影響，防偽技術又總是遭到不法分子破解。然而，最近來自英國蘭卡斯特大學的研究人員發明了一項專利技術，利用石墨烯和其他二維材料的「缺陷」，創造出無法複製的、原子級的唯一標識。用戶只要用手機掃描一下標籤，就可以判斷出商品真偽。

關鍵字

防偽、量子、石墨烯

背景

如今，形形色色的假貨充斥著各行各業，例如假藥、假酒、假幣、假證件、假衣服、假電子產品等等。不少消費者被假貨傷害過，輕則帶來經濟損失，重則威脅生命安全。現在的造假技術也越來越高超，讓普通消費者難辨真偽。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

另外，隨著物聯網技術蓬勃發展，各種聯網的智能系統中使用的晶元和電子元器件也變得更多，例如無人駕駛汽車制動系統的部件、智能硬體使用的各種晶元等等，它們也更加需要完善的防偽認證。

所以，各種防偽和安全認證技術應運而生，其中比較著名的有密碼技術、RFID技術、全息技術、指紋識別技術、虹膜識別技術，以及筆者曾介紹過的納米水印防偽技術等等。但是，這些宏觀級別的防偽技術往往會存在一些漏洞，讓不法分子有機可乘，他們會採取拷貝、克隆、欺騙等等種種手段破解現有的防偽技術。

創新

針對上述問題，最近來自英國蘭卡斯特大學以及其衍生公司 Quantum Base 的研究人員走入了微觀領域，發明了一項新型專利技術，它基於石墨烯或者其他二維材料中的不規則性，創造出無法複製的、原子級的唯一標識。

這種量子技術為產品創造出一種原子級的「指紋」，用戶可以通過智能手機掃描這種標籤，與資料庫中的記錄進行對比，判斷出商品的真偽。研究人員稱，這項技術有望徹底消除偽造數字身份的假貨。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

技術

這項技術如何防偽？

我們還是從最重要的部分二維材料石墨烯說起。石墨烯，筆者以往多次介紹，它既是最薄的材料，又是最強韌的材料，還具有優異的導電、導熱性能。它只有一層原子的厚度，屬於二維材料的一種。

然而，二維材料的原子也會產生缺陷，每片區域的石墨烯總會出現不規則的缺陷，而且這種缺陷幾乎是無法複製的。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

當光線照射這些二維材料時，這些微小的缺陷會使材料發光。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

對於二維材料一小片區域來說，其發出的光線代表了一種獨特的信號，而智能手機通過攝像頭可以捕捉到這種信號。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

然後，這種信號將被轉化為一種數字序列，也就是所謂的「數字指紋」。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

這些「小薄片」對於人眼來說通常是不可見的，只有人類頭髮絲厚度的千分之一。由這些小薄片製成的標籤可以被添加到我們日常生活用品中，例如貨幣、信用卡、護照和車票等。然後，我們通過智能手機應用程序可以對它進行拍照，分析出這些小薄片的獨特信號，從而根據「指紋」正確與否，判斷產品的真偽。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

光學量子ID技術

以上介紹的防偽技術的核心就是光學量子ID技術。而光學量子ID技術的基礎就是二維材料原子級別的缺陷（不規則性），也正是這些缺陷製造了難以複製的「指紋」。研究人員利用簡單的光學技術，例如智能手機的攝像頭，就可以讀取二維材料納米級的缺陷。

由於晶體生產或者製造期間產生的缺陷，會帶來二維材料能帶隙的空間差異，而這種差異可以通過光激發光的方式測量到。當納米晶體材料被照射的時候，例如使用藍色火炬，光子會被吸收，從而激發電子躍遷到更高能級。然而，這些高能電子很快又會釋放出一些能量，從而使得納米晶體發光。原子級的缺陷改變了納米晶體的組織、尺寸和形狀，使我們能從它發出的光線中獲取獨特的光學簽名。

電子量子ID技術

早在2015年11月份的時候，該校就開發出了一種電子量子ID技術。在這裡，我順便簡單介紹一下，電子在原子級別受限移動的時候，它們只能位於特定的能級上。因此，它們對於原子級的缺陷是敏感的。那麼，研究人員圍繞這個原則設計出這種小型的半導體二極體。

在普通的導線中，電子的能級可以是任何值，因為電子可以自由移動。而在一些能量位壘例如晶格中，電子卻具有特定的能量，這也稱為「量子限域」效應。在每次二極體製造的時候，其量子限域都會發生微小的變化，這樣也就為每個設備帶來了一個獨特的簽名。

（圖片來源：蘭卡斯特大學）

一般來說，傳統晶元採用存儲密鑰進行鑒權的方式，但是它有可能被竊取和破解。然而，這項技術依賴於設備製造時的隨機性，從而有效地防止了克隆。

這項技術可以很容易地集成到現有的晶元製造工藝中，從而降低大規模生產的成本。它還具有許多附加功能，比如可追溯產品的整個供應鏈，定址單個產品，便於進行市場營銷和質量控制。

為什麼難以複製？

這就要從原子世界說起。對於原子級的微觀世界，科學家會採用較為特殊的顯微鏡來觀察有關細節，甚至是移動原子。在原子級別，一切都是很獨特的。如果要移動原子來克隆特殊的結構，那麼難度將是非常驚人的，並且將耗費非常漫長的時間。換句話說，使用目前的技術進行複製將非常困難。

價值

這項技術主要價值，毫無疑問就是在防偽方面，最重要的是做到防止複製，從而顯著提高了防偽技術的可靠性。它可以廣泛應用於藥物和食品包裝，鞋子和衣服，貨幣和證件等產品的防偽。未來，用戶只要用自己的智能手機，簡單地掃描一下標籤，就可以判斷相關產品的真偽。

相比於其他的防偽技術，例如全息技術，安全油墨或者標誌物，RFID技術等等，這種微型的石墨烯標籤完全是獨一無二的，很難進行複製。另外，它也具備跟蹤功能，如果產品丟失或者被盜，可以隨時關閉。

這項專利技術和相關應用有望於2018年上半年面世，未來它將可以固定在任何物體表面，或者任何產品上。

參考資料

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

【2】https://arxiv.org/abs/1706.07949

需要進一步探討交流的朋友，請直接聯繫作者微信：JohnZh1984，或者微信關注公眾號：IntelligentThings。

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