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元宇宙的概念最早由科幻作家Neal Stephenson在其1992年的作品“Snow Crash”中提出。随着扩展现实、数字孪生、3D渲染、高速网络、区块链等技术的发展及终端设备的迭代，“元宇宙”多维度、全感官、沉浸式的人机交互新互联网形态将有望成为现实。2021年是中国在数据安全与隐私领域立法的重要元年，2021年9月1日生效的《中华人民共和国数据安全法》、2021年11月1日起施行《中华人民共和国个人信息保护法》、《中华人民共和国网络安全法》、《区块链信息服务管理规定》构成了维护网络运营安全和信息数据安全四大法律依据。而元宇宙作为一个与现实世界深度交融的空间，其信息通讯将伴随大量的数据伪造和安全问题，尤其是以生物特征为例的个人隐私信息。所以，我们亟需一种元宇宙中的信息加密和认证技术，在沟通两个世界的同时，依法保护用户的信息不受侵犯。
图1. 元宇宙中的虚拟世界将与现实世界交融
近日，来自深圳市人工智能与机器人研究院的朱熹教授团队研发了一款元宇宙“护照”。在这个护照上，用户的信息通过张量网络加密成三维几何结构，并通过激光直写技术物理化为微型芯片，最后通过基于计算机视觉的解密系统进行身份验证。两步打印方法对芯片中随机分布的掺杂量子点荧光进行编码，实现了护照的物理非克隆功能（Physical Unclonable Fuctions, PUF）。高达105bit/mm2的数据存储密度使来自物理世界的大量加密信息成为可能(生物特征数据)。该护照保证了用户隐私数据与PUF辅助代码之间的强相关性，成功地克服了身份验证信息的非法转移。由于其超高的安全性和方便性，该护照在未来元宇宙随时随地的数字认证中具有巨大的潜力。  
图2. 通过双光子激光直写技术打印元宇宙护照的概念图
图3. 元宇宙护照的制造和工作原理。
图3展示了该护照的设计和制作过程的整个方案。护照包含用户的36进制的ID号(从2,000,000,000转换为X2QXVK)。ID是由3D微结构组成的正方形字母。几何图形的符号和高度通过张量网络从用户的生物特征数据中加密。数据加密后，为了保证高数据存储密度和方便集成的优点，选择了基于双光子聚合（two photon polymerization, 2PP）的激光直写技术进行制作。与传统光刻的二维图案相比，打印出的三维结构为信息编码提供了额外的尺寸(结构高度)，如图1b所示。更重要的是，这种直接书写方法降低了光刻掩模的成本，这应该是这种3D制造的最佳选择。微结构的几何尺寸在4μm左右，满足便携式显微镜下的光学分辨率。在相差模式下，几何图形的高度从1μm到8μm不等，实现了彩色图案的区分。
图4. 荧光量子点的随机参杂使得护照具有不可克隆的特性。
团队将量子点引入用于打印护照的光刻胶内。这些随机分布的量子点在护照的特定区域将形成具有高复杂度的荧光图案。这使得每一块护照都是独一无二的存在，具有不可克隆性。计算机视觉算法将这些荧光图案进行解码后，提取其中的关键参数进入到下一步的个人信息加密中，有保证了个人信息的不可篡改。
图5. 护照在现实认证中的应用展示。
在实际应用中，第三方可扫描用户展示的护照进行认证。这些护照可以被集成在用户随身穿戴的设备或首饰上，如手表，卡片等。如今的便携式的显微设备为第三方提供了方便，如市售的OPPO Find X3手机自带的显微相机。完成认证后，用户便可在元宇宙空间中进行支付等操作。
总的来说，研究团队通过激光直写制作的微型芯片由于其物理不可克隆和在加密/解密信息方面的鲁棒性，被应用为桥接物理和数字世界的护照。与现有的其他方法相比，PUF和张量网络提供了更高的安全性和信息密度。此外，印刷标签的尺寸和稳定性有利于适应更多的应用场景。更重要的,中心化的数据处理方案,包括第三方权威,不仅保护用户的隐私,而且也大大降低了边缘的工作量计算设备(二维码或NFC支付),避免信息泄漏的风险,电池污染和辐射。未来，随着元宇宙与物联网生态系统的发展和显微镜集成便携设备的日益普及，这款微型护照将变得更加易于使用。
该研发成果近日在ACS Applied Materials Interface上发表， 通讯作者为深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）的朱熹教授，第一作者是AIRS助理研究员李佳根博士。AIRS成员叶敏和王潇朴博士，香港中文大学（深圳）博士生刘汝林，林昊翔和叶树谦共同参与该工作。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c18808
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