Forschung Winziges, fälschungssicheres ID-Tag kann fast alles authentifizieren

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MIT-Ingenieure haben ein Etikett entwickelt, das mit nahezu perfekter Genauigkeit zeigen kann, ob ein Gegenstand echt oder gefälscht ist. Der Schlüssel liegt im Klebstoff auf der Rückseite des Etiketts.

Vor einigen Jahren haben MIT-Forscher ein kryptografisches ID-Etikett erfunden, das um ein Vielfaches kleiner und wesentlich billiger ist als die herkömmlichen Radiofrequenz-Etiketten (RFID), die oft an Produkten angebracht werden, um deren Echtheit zu überprüfen.

Dieses winzige Etikett, das eine höhere Sicherheit als RFIDs bietet, nutzt Terahertz-Wellen, die kleiner sind und sich viel schneller als Radiowellen bewegen. Dieses Terahertz-Etikett hat jedoch eine große Sicherheitslücke mit den herkömmlichen RFIDs gemeinsam: Ein Fälscher könnte das Etikett von einem echten Artikel abziehen und an einer Fälschung wieder anbringen, ohne dass das Authentifizierungssystem davon etwas mitbekommen würde.

Die Forscher haben diese Sicherheitslücke nun geschlossen, indem sie Terahertz-Wellen nutzten, um ein fälschungssicheres ID-Etikett zu entwickeln, das trotzdem winzig, billig und sicher ist.

Sie mischen mikroskopisch kleine Metallpartikel in den Klebstoff, mit dem das Etikett an einem Gegenstand befestigt wird, und verwenden dann Terahertz-Wellen, um das einzigartige Muster zu erkennen, das diese Partikel auf der Oberfläche des Gegenstandes bilden. Ähnlich wie ein Fingerabdruck wird dieses zufällige Klebstoffmuster zur Authentifizierung des Gegenstands verwendet, erklärte Eunseok Lee, Student der Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Hauptautor eines Berichts über das fälschungssichere Etikett.

„Diese Metallteilchen sind im Wesentlichen wie Spiegel für Terahertz-Wellen. Wenn ich einen Haufen Spiegelteile auf einer Oberfläche verteile und dann Licht darauf scheinen lasse, erhalte ich je nach Ausrichtung, Größe und Position dieser Spiegel ein anderes Reflexionsmuster. Aber sobald ich den Chip abziehe und wieder anbringe, wird dieses Muster zerstört”, fügte Ruonan Han hinzu, ein außerordentlicher Professor in EECS, der die Terahertz Integrated Electronics Group im Research Laboratory of Electronics am MIT leitet.

Die Forscher haben ein mit Licht betriebenes Etikett zum Schutz vor Manipulationen hergestellt, das etwa 4 mm2 groß ist. Sie demonstrierten auch ein maschinelles Lernmodell, das bei der Erkennung von Manipulationen hilft, indem es ähnliche Klebemuster-Fingerabdrücke mit einer Genauigkeit von mehr als 99 Prozent identifiziert.

Da das Terahertz-Etikett so billig in der Herstellung ist, könnte es zum Beispiel in einer großen Lieferkette eingesetzt werden. Dank seiner winzigen Größe kann der Tag auch an Gegenständen angebracht werden, die für herkömmliche RFIDs zu klein sind, wie beispielsweise bestimmte medizinische Geräte.

Die Forschungsarbeit, die auf der IEEE Solid State Circuits Conference vorgestellt wurde, basiert auf einer Zusammenarbeit zwischen der Gruppe von Han und der Energy-Efficient Circuits and Systems Group von Anantha P. Chandrakasan, dem Chief Innovation and Strategy Officer des MIT, Dekan der MIT School of Engineering und Professor of EECS. Zu den Coautoren gehören die EECS-Absolventen Xibi Chen, Maitryi Ashok und Jaeyeon Won.

Verhinderung von Manipulationen

Dieses Forschungsprojekt wurde teilweise von Hans bevorzugter Autowaschanlage inspiriert. Das Unternehmen klebte einen RFID-Tag an seine Windschutzscheibe, um seine Mitgliedschaft in der Autowaschanlage zu authentifizieren. Um die Sicherheit zu erhöhen, wurde das Etikett aus zerbrechlichem Papier hergestellt, damit es zerstört wird, wenn ein unehrlicher Kunde versucht, es abzuziehen und an eine andere Windschutzscheibe zu kleben.

Aber das ist keine besonders zuverlässige Methode, um Manipulationen zu verhindern. Jemand könnte zum Beispiel eine Lösung verwenden, um den Klebstoff aufzulösen und das zerbrechliche Etikett sicher zu entfernen.

Eine bessere Sicherheitslösung als die Authentifizierung des Etiketts ist die Authentifizierung des Gegenstands selbst, so Han. Um dies zu erreichen, setzten die Forscher den Klebstoff gezielt an der Schnittstelle zwischen dem Etikett und der Oberfläche des Gegenstands ein.

Ihr fälschungssicheres Etikett enthält eine Reihe winziger Schlitze, durch die Terahertz-Wellen das Etikett durchdringen und auf mikroskopisch kleine Metallpartikel treffen können, die in den Klebstoff eingearbeitet wurden.

Terahertz-Wellen sind klein genug, um die Partikel zu erkennen, während größere Radiowellen nicht empfindlich genug wären, um sie zu "sehen". Die Verwendung von Terahertz-Wellen mit einer Wellenlänge von 1 mm ermöglichte es den Forschern außerdem, einen Chip herzustellen, der ohne eine größere Antenne außerhalb des Chips auskommt.

Nach dem Durchgang durch das Etikett und dem Auftreffen auf die Oberfläche des Objekts werden die Terahertz-Wellen reflektiert oder zurückgestreut und zur Authentifizierung an einen Empfänger weitergeleitet (Bild 2). Wie diese Wellen zurückgestreut werden, hängt von der Verteilung der Metallpartikel ab, die sie reflektieren.

Die Forscher haben den Chip mit mehreren Schlitzen versehen, sodass die Wellen auf verschiedene Punkte auf der Oberfläche des Objekts treffen und mehr Informationen über die zufällige Verteilung der Partikel erfasst werden können. „Diese Reaktionen sind unmöglich zu duplizieren, bis die Klebeschnittstelle von einem Fälscher zerstört wird”, sagte Han.

Ein Anbieter würde einen ersten Messwert des fälschungssicheren Etiketts erfassen, sobald es auf einen Artikel geklebt wurde und diese Daten dann in der Cloud speichern, um sie später zur Überprüfung zu verwenden.

KI zur Authentifizierung

Als es jedoch an der Zeit war, das Anti-Manipulations-Etikett zu testen, stieß Lee auf ein Problem: Es war sehr schwierig und zeitaufwendig, präzise genug zu messen, um festzustellen, ob zwei Klebemuster übereinstimmen.

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

„Ein Nachteil ist, dass wir für diese Demonstration nur eine begrenzte Anzahl von Daten zur Verfügung hatten, aber wir könnten das neuronale Netzwerk in der Zukunft verbessern, wenn eine große Anzahl dieser Etiketten in einer Lieferkette eingesetzt würde, was uns eine viel größere Datenmenge zur Verfügung stellen würde”, sagt Lee.

Das Authentifizierungssystem ist auch dadurch eingeschränkt, dass Terahertz-Wellen bei der Übertragung hohe Verluste aufweisen, sodass der Sensor nur etwa 4 cm vom Etikett entfernt sein kann, um ein genaues Ergebnis zu erzielen.

Diese Entfernung wäre für eine Anwendung wie das Scannen von Barcodes kein Problem, aber für einige potenzielle Anwendungen, zum Beispiel in einer automatischen Autobahnmautstelle, wäre sie zu kurz. Außerdem muss der Winkel zwischen dem Sensor und dem Etikett weniger als 10 Grad betragen, da sonst das Terahertz-Signal zu stark beeinträchtigt wird.

Die Forscher wollen diese Probleme in Zukunft angehen und hoffen, anderen Forschern trotz der vielen technischen Herausforderungen Mut zu machen, was mit Terahertz-Wellen erreicht werden kann, sagte Han.

„Eine Sache, die wir hier wirklich zeigen wollen, ist, dass die Anwendung des Terahertz-Spektrums weit über drahtlose Breitbandverbindungen hinausgehen kann. In diesem Fall kann man Terahertz für ID, Sicherheit und Authentifizierung nutzen. Da gibt es eine Menge Möglichkeiten”, fügte er hinzu. (mbf)

* Henning Wriedt ist freier Fachautor

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