Das winzige, manipulationssichere ID-Tag des MIT authentifiziert alles mithilfe von Terahertz-Wellen

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Ein am MIT entwickeltes kryptografisches Etikett verwendet Terahertzwellen zur Authentifizierung von Gegenständen, indem es das einzigartige Muster mikroskopisch kleiner Metallpartikel erkennt, die in den Kleber eingemischt sind, der das Etikett an der Oberfläche des Gegenstands klebt. (Bild:Jose-Luis Olivares, MIT. Chip mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Vor einigen Jahren haben MIT-Forscher ein kryptografisches ID-Tag erfunden, das um ein Vielfaches kleiner und deutlich billiger ist als die herkömmlichen Radiofrequenz-Tags (RFIDs), die häufig an Produkten angebracht werden, um deren Echtheit zu überprüfen.

Dieses winzige Etikett, das gegenüber RFIDs eine höhere Sicherheit bietet, nutzt Terahertzwellen, die kleiner sind und viel höhere Frequenzen als Radiowellen haben. Allerdings weist dieses Terahertz-Tag eine große Sicherheitslücke auf wie herkömmliche RFIDs:Ein Fälscher könnte das Etikett von einem echten Artikel abziehen und es an einer Fälschung wieder anbringen, ohne dass das Authentifizierungssystem klüger wäre.

Die Forscher haben diese Sicherheitslücke nun überwunden, indem sie Terahertz-Wellen genutzt haben, um ein manipulationssicheres ID-Tag zu entwickeln, das dennoch die Vorteile bietet, klein, günstig und sicher zu sein.

Sie mischen mikroskopisch kleine Metallpartikel in den Kleber, der das Etikett an einen Gegenstand klebt, und nutzen dann Terahertzwellen, um das einzigartige Muster zu erkennen, das diese Partikel auf der Oberfläche des Gegenstands bilden. „Ähnlich einem Fingerabdruck wird dieses zufällige Klebemuster zur Authentifizierung des Artikels verwendet“, erklärte Eunseok Lee, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Hauptautor einer Arbeit über das Anti-Manipulations-Etikett.

„Diese Metallpartikel sind im Wesentlichen wie Spiegel für Terahertzwellen. Wenn ich eine Reihe von Spiegelstücken auf einer Oberfläche verteile und sie dann mit Licht bestrahle, erhalte ich je nach Ausrichtung, Größe und Position dieser Spiegel ein anderes reflektiertes Muster. Aber wenn man den Chip abzieht und wieder anbringt, zerstört man dieses Muster“, sagte Ruonan Han, außerordentlicher Professor am EECS, der die Terahertz Integrated Electronics Group im Research Laboratory of Electronics leitet.

Die Forscher stellten ein lichtbetriebenes Antimanipulationsetikett her, das etwa 4 Quadratmillimeter groß ist. Sie demonstrierten außerdem ein maschinelles Lernmodell, das dabei hilft, Manipulationen zu erkennen, indem es ähnliche Fingerabdrücke von Klebemustern mit einer Genauigkeit von mehr als 99 Prozent identifiziert.

Da die Herstellung des Terahertz-Tags so günstig ist, könnte es in einer riesigen Lieferkette implementiert werden. Und aufgrund seiner geringen Größe kann das Etikett an Gegenständen angebracht werden, die für herkömmliche RFIDs zu klein sind, wie beispielsweise bestimmte medizinische Geräte.

Das Papier ist eine Zusammenarbeit zwischen Hans Gruppe und der Energy-Efficient Circuits and Systems Group von Anantha P. Chandrakasan, Chief Innovation and Strategy Officer des MIT, Dekanin der MIT School of Engineering und Vannever Bush-Professorin für EECS. Zu den Co-Autoren gehören die EECS-Absolventen Xibi Chen, Maitryi Ashok und Jaeyeon Won.

Dieses Forschungsprojekt wurde teilweise von Hans Lieblingsautowaschanlage inspiriert. Das Unternehmen klebte einen RFID-Tag an seine Windschutzscheibe, um seine Mitgliedschaft in der Autowaschanlage zu authentifizieren. Für zusätzliche Sicherheit wurde das Etikett aus zerbrechlichem Papier hergestellt, sodass es zerstört werden würde, wenn ein nicht ehrlicher Kunde versuchen würde, es abzuziehen und an einer anderen Windschutzscheibe anzubringen.

Aber das ist keine besonders zuverlässige Möglichkeit, Manipulationen zu verhindern. Beispielsweise könnte jemand eine Lösung verwenden, um den Kleber aufzulösen und das zerbrechliche Etikett sicher zu entfernen.

Anstatt das Etikett zu authentifizieren, besteht eine bessere Sicherheitslösung darin, den Artikel selbst zu authentifizieren, sagt Han. Um dies zu erreichen, richteten die Forscher den Kleber gezielt auf die Schnittstelle zwischen dem Etikett und der Oberfläche des Artikels.

Ihr Antimanipulationsetikett enthält eine Reihe winziger Schlitze, die es Terahertzwellen ermöglichen, durch das Etikett zu dringen und auf mikroskopisch kleine Metallpartikel zu treffen, die in den Kleber eingemischt wurden.

Terahertz-Wellen sind klein genug, um die Partikel zu erkennen, während größere Radiowellen nicht empfindlich genug wären, um sie zu erkennen. Durch die Verwendung von Terahertz-Wellen mit einer Wellenlänge von einem Millimeter konnten die Forscher außerdem einen Chip herstellen, der keine größere Antenne außerhalb des Chips benötigt.

Nachdem sie das Etikett passiert haben und auf die Oberfläche des Objekts treffen, werden Terahertzwellen zur Authentifizierung an einen Empfänger reflektiert oder zurückgestreut. Wie diese Wellen zurückgestreut werden, hängt von der Verteilung der Metallpartikel ab, die sie reflektieren.

Die Forscher haben mehrere Schlitze auf dem Chip angebracht, damit Wellen verschiedene Punkte auf der Oberfläche des Objekts treffen und so mehr Informationen über die zufällige Verteilung von Partikeln erfassen können.

„Diese Reaktionen können nicht dupliziert werden, solange die Klebeschnittstelle von einem Fälscher zerstört wird“, sagte Han.

Ein Anbieter liest zunächst das Manipulationsschutzetikett, sobald es an einem Artikel angebracht ist, und speichert diese Daten dann in der Cloud, um sie später zur Überprüfung zu verwenden.

Doch als es an der Zeit war, das Anti-Manipulationsetikett zu testen, stieß Lee auf ein Problem:Es war sehr schwierig und zeitaufwändig, präzise Messungen durchzuführen, um festzustellen, ob zwei Klebemuster übereinstimmen.

Er kontaktierte einen Freund vom MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) und gemeinsam gingen sie das Problem mithilfe von KI an. Sie trainierten ein maschinelles Lernmodell, das Klebemuster vergleichen und ihre Ähnlichkeit mit einer Genauigkeit von mehr als 99 Prozent berechnen konnte.

„Ein Nachteil besteht darin, dass uns für diese Demonstration nur eine begrenzte Datenprobe zur Verfügung stand. Wir könnten das neuronale Netzwerk jedoch in Zukunft verbessern, wenn eine große Anzahl dieser Tags in einer Lieferkette eingesetzt würde, wodurch wir viel mehr Datenproben erhalten würden“, sagte Lee.

Das Authentifizierungssystem ist auch dadurch eingeschränkt, dass Terahertz-Wellen bei der Übertragung hohe Verluste erleiden, sodass der Sensor nur etwa vier Zentimeter vom Tag entfernt sein darf, um einen genauen Messwert zu erhalten. Für eine Anwendung wie das Scannen von Barcodes wäre dieser Abstand kein Problem, für einige potenzielle Anwendungen, beispielsweise in einer automatisierten Autobahnmautstelle, wäre er jedoch zu kurz. Außerdem muss der Winkel zwischen Sensor und Tag weniger als 10 Grad betragen, sonst wird das Terahertz-Signal zu stark beeinträchtigt.

Sie planen, diese Einschränkungen in zukünftigen Arbeiten anzugehen und hoffen, andere Forscher dazu zu inspirieren, trotz der vielen technischen Herausforderungen optimistischer zu sein, was mit Terahertz-Wellen erreicht werden kann, sagte Han.

„Eine Sache, die wir hier wirklich zeigen möchten, ist, dass die Anwendung des Terahertz-Spektrums weit über drahtlose Breitbandverbindungen hinausgehen kann. In diesem Fall können Sie Terahertz für ID, Sicherheit und Authentifizierung verwenden. Es gibt viele Möglichkeiten“, fügte er hinzu.

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