MIT's minuscule, manipulatieveilige ID-tag authenticeert alles met terahertz-golven

Een paar jaar geleden vonden MIT-onderzoekers een cryptografische ID-tag die diverse keren kleiner en aanzienlijk goedkoper is dan traditionele radiofrequentietags (RFID's) die vaak aan producten gehecht worden om hun authenticiteit te verifiëren.

Terahertz-golven voor verbeterde beveiliging

Deze minuscule tag, die verbeterde beveiliging biedt ten opzichte van RFID's, gebruikt terahertz-golven, die kleiner zijn en veel hogere frequenties hebben dan radiogolven. Maar deze terahertz-tag deelde een grote beveiligingskwetsbaarheid met traditionele RFID's: een vervalser kon de tag van een echt item afpellen en op een nepje hechten, en het authenticatiesysteem zou er geen kwaad van weten.

Antitampering door lijmpatroon

De onderzoekers hebben nu deze beveiligingskwetsbaarheid overwonnen door terahertz-golven te benutten om een antitampering ID-tag te ontwikkelen die nog steeds de voordelen biedt van klein, goedkoop en veilig. Ze mengen microscopische metalendeeltjes in de lijm die de tag aan een object plakt, en gebruiken dan terahertz-golven om het unieke patroon dat die deeltjes op het oppervlak van het item vormen te detecteren. Vergelijkbaar met een vingerafdruk, wordt dit willekeurige lijmpatroon gebruikt om het item te authenticeren, uitgelegd door Eunseok Lee, een graduate student in electrical engineering and computer science (EECS) en eerste auteur van een paper over de antitampering tag.

"Deze metalendeeltjes zijn essentieel spiegels voor terahertz-golven. Als ik een bos spiegeltjes op een oppervlak verspreid en dan licht daarop schijn, afhankelijk van de oriëntatie, grootte en locatie van die spiegels, krijg ik een ander gereflecteerd patroon. Maar als je de chip afpelt en opnieuw hecht, vernietig je dat patroon," aldus Ruonan Han, associate professor in EECS, die de Terahertz Integrated Electronics Group leidt in de Research Laboratory of Electronics.

Licht-aangedreven tag en machine learning

De onderzoekers produceerden een licht-aangedreven antitampering tag van ongeveer 4 vierkante millimeters. Ze demonstreerden ook een machine-learningmodel dat helpt detecteren van tampering door vergelijkbare lijmpatroon-vingerafdrukken te identificeren met meer dan 99 procent nauwkeurigheid.

Omdat de terahertz-tag zo goedkoop te produceren is, kan het door een enorme supply chain geïmplementeerd worden. En de minuscule grootte stelt de tag in staat om aan items te hechten die te klein zijn voor traditionele RFID's, zoals bepaalde medische apparaten.

Inspiratie en technische details

Het onderzoek werd deels geïnspireerd door Han's favoriete autowas. Het bedrijf plakte een RFID-tag op zijn ruit om zijn lidmaatschap te authenticeren. Voor extra beveiliging was de tag gemaakt van breekbaar papier zodat het vernietigd zou worden als een minder eerlijke klant probeerde het af te pellen en op een andere ruit te plakken. Maar dat is geen betrouwbare manier om tampering te voorkomen. Iemand kan een oplossing gebruiken om de lijm op te lossen en de breekbare tag veilig te verwijderen.

In plaats van de tag te authenticeren, is een betere beveiligingsoplossing om het item zelf te authenticeren, aldus Han. Om dit te bereiken, richtten de onderzoekers zich op de lijm aan de interface tussen de tag en het oppervlak van het item. Hun antitampering tag bevat een reeks minuscule sleuven die terahertz-golven toelaten door de tag heen te passeren en de microscopische metalendeeltjes in de lijm te raken. Terahertz-golven zijn klein genoeg om de deeltjes te detecteren, terwijl grotere radiogolven niet voldoende gevoeligheid zouden hebben. Ook, het gebruik van terahertz-golven met een golflengte van één millimeter stelde de onderzoekers in staat om een chip te maken die geen grotere, off-chip antenne nodig heeft.

Authenticatieproces

Na het doorlopen van de tag en het raken van het objectoppervlak, worden terahertz-golven gereflecteerd, of backscattered, naar een ontvanger voor authenticatie. Hoe die golven worden backscattered hangt af van de verdeling van metalendeeltjes die ze reflecteren. De onderzoekers zetten meerdere sleuven op de chip zodat golven verschillende punten op het objectoppervlak kunnen raken, meer informatie vastlegend over de willekeurige verdeling van deeltjes.

"Deze reacties zijn onmogelijk te dupliceren, zolang de lijminterface vernietigd wordt door een vervalser," aldus Han.

Een verkoper zou een initiële meting van de antitampering tag nemen zodra deze op een item geplakt was, en die data in de cloud opslaan, voor later verificatie.

AI voor patroonvergelijking

Toen het tijd was om de antitampering tag te testen, liep Lee in een probleem: het was erg moeilijk en tijdrovend om nauwkeurig genoeg metingen te nemen om te bepalen of twee lijmpatroons een match zijn. Hij nam contact op met een vriend in het MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) en samen tackleden ze het probleem met AI. Ze trainden een machine-learningmodel dat lijmpatroons kon vergelijken en hun gelijkenis kon berekenen met meer dan 99 procent nauwkeurigheid.

"Een nadeel is dat we een beperkte datasteekproef hadden voor deze demonstratie, maar we kunnen het neurale netwerk in de toekomst verbeteren als een groot aantal van deze tags in een supply chain geïmplementeerd worden, wat ons veel meer datamonsters geeft," aldus Lee.

Beperkingen en toekomst

Het authenticatiesysteem wordt ook beperkt doordat terahertz-golven lijden onder hoge verliezen tijdens transmissie, dus de sensor kan maar ongeveer vier centimeter van de tag verwijderd zijn voor een nauwkeurige meting. Deze afstand is geen probleem voor een toepassing zoals barcode-scannen, maar te kort voor sommige potentiële gebruiken, zoals in een geautomatiseerde snelweg-tolhek. Ook moet de hoek tussen sensor en tag minder dan 10 graden zijn of het terahertz-signaal degradeert te veel.

Ze plannen deze beperkingen in toekomstig werk aan te pakken en hopen andere onderzoekers te inspireren om optimistischer te zijn over wat met terahertz-golven bereikt kan worden, ondanks de veel technische uitdagingen, aldus Han. "Eén ding dat we echt willen tonen is dat de toepassing van het terahertz-spectrum ver buiten broadband wireless kan gaan. In dit geval kun je terahertz gebruiken voor ID, beveiliging en authenticatie. Er zijn veel mogelijkheden daarbuiten."

Bron: MIT