Onkloonbare patronen om vervalsing te bestrijden

In een multinationale samenwerking hebben onderzoekers van de universiteiten van Luxemburg, Ljubljana en Wenen een nieuwe methode ontwikkeld om unieke reflecterende patronen te produceren die kunnen worden aangebracht op waardevolle producten. Omdat deze patronen niet kunnen worden gekloond of gekopieerd, zijn ze te gebruiken om producten ondubbelzinning te identificeren en zo vervalsing tegen te gaan.

In de huidige ‘connected' wereld is het vanuit veiligheidsoverwegingen vaak essentieel om objecten en mensen te kunnen authentiseren. Objectauthenticatie is bijvoorbeeld wenselijk bij de aankoop van waardevolle producten. Kopers en verkopers hebben een gemeenschappelijk belang bij het bewijzen dat de goederen die de klant ontvangt ook echt dezelfde zijn als waarvoor hij heeft getaald, en geen kopieën. De authenticatie is buitengewoon belangrijk bij producten waarvan het bekend is dat ze vaak worden nagemaakt: telefoons, simkaarten en bankpasjes en dergelijke. Soms wordt de houder van het object rechtstreeks geauthentiseerd, zoals met paspoorten, ID-kaarten en badges. Momenteel in opkomst is de biometrische authenticatie, zoals vingerafdruk- en irisherkenning. Badges worden vooral gebruikt om toegang te krijgen  tot zwaar beveiligde terreinen of ruimten, vingerafdrukken vaak om gebruik te kunnen maken van persoonlijke diensten, zoals de smartphone.

Niet waterdicht

Maar authenticatiestrategieën zijn niet waterdicht. Objecten kunnen worden vervalst, cards worden regelmatige gekloond en zelfs vingerafdrukken kunnen worden gestolen. Een geval van gekopieerde vingerafdrukken kwam onlangs in het nieuws, waarbij het enorme risico van deze vorm van vervalsing duidelijk werd. Mensen kunnen hun vingerafdruk niet ongeldig maken of vernieuwen, dus de gestolen kopieën blijven voor altijd een bedreiging.

Het zou daarom een aantrekkelijke oplossing zijn als je kon beschikken over niet-kloonbare, niet-biometrische fysieke bewijzen, die ruimschoots beschikbaar zijn, maar bovendien net zo uniek als de biometrische elementen in ons lichaam. Om ook commercieel de moeite waard te zijn, moet de productiekosten van zo'n uniek bewijs laag blijven. Deze eisen hebben geleid tot het concept van Physical Unclonable Functions (PUF's). Dat zijn objecten die op een unieke manier reageren op verschillende soorten fysieke inputs. Zij verstrooien bijvoorbeeld licht in onvoorspelbare richtingen, gloeien op in variabele kleuren als ze worden belicht, reageren met onbekende vertraging of starten op in willekeurige toestanden als ze worden aangezet.

PUF's zijn momenteel te vinden in microchips, om er zeker van te zijn dat de siliciumcomponenten van een geautoriseerde producent komen. Zeldzamer zijn optische PUF's die een respons op licht genereren die kan worden geregistreerd door een camera om zo het waardevolle object te authentiseren waarop de PUF is aangebracht.

Nieuw type PUF

In een interdisciplinaire samenwerking tus de Physics & Materials Science Research Unit (PhyMS) en het Interdisciplinary Center for Security and Trust (SnT) van de Universiteit van Luxemburg, komen dr. Gabriele Lenzini (SnT) en de groep van prof. Jan Lagerwall (PhyMS) met een geheel nieuw type PUF. Het is gebaseerd op de eigenaardige optica van bolletjes van een zogeheten cholesterisch vloeibaar kristal. Dank zij de zelfassemblerende periodieke structuur die karakteristiek is voor dit type vloeibaar kristal, reflecteren de bolletjes specifieke kleuren op dezelfde manier als bijvoorbeeld vlinder- en pauwenvleugels. Met hulp van fotonica-experts prof. Irena Drevensek-Olenik (Universiteit van Ljubljana) en prof. Romano Rupp (Universiteit van Wenen), voerde het team een gedetailleerde analyse uit van de optica van een groot aantal van zulke bolletjes. Daarbij ontdekten ze dat de bolletjes op onverwachte manieren met elkaar communiceren. Deze communicatie met licht leidt tot een uniek kleurrijk patroon, dat dynamisch kan worden afgestemd door de manier te wijzigen waarop de bollen worden verlicht. Omdat verschillende typen vloeibare-kristalbollen willekeurig kunnen worden gecombineerd, zijn de gegenereerde patronen die de onderzoekers presenteren eveneens willekeurig. Daardoor is het onmogelijk het authenticatiebewijs en de bijhorende patronen te kopiëren zodat het zeer geschikt is als PUF.

In hun artikel in het wetenschappelijk tijdschrift Scientific Reports¹  introduceren de onderzoekers een techniek om zeker te zijn van adequate robuustheid van de bolletjes, zodat ze eenvoudig zijn te gebruiken voor het voorbereiden van een bewijs-‘token' met PUF's. Toch zijn de bolletjes zo delicaat dat een poging om te knoeien met het token ertoe zou leiden dat de bolletjes breken, zodat het token onbruikbaar wordt. Bovendien hebben ze een methode ontwikkeld om de bolletjes uit te lijnen, die de productietijd drastisch verkort. Daarvoor gebruiken ze een microfluïdisch proces dat tegen weinig kosten is op te schalen. De auteurs beschrijven ook hoe deze nieuwe categorie PUF's gebruikt kan worden in uiteenlopende beveiligingssystemen.

¹High-fidelity spherical cholesteric liquid crystal Bragg reflectors generating unclonable patterns for secure authentication, Yong Geng, JungHyun Noh, Irena Drevensek-Olenik, Romano Rupp, Gabriele Lenzini, and Jan P. F. Lagerwall, Scientific Reports, 27.05.2016