Không cần chip bảo mật phức tạp: Nanoparticle ngẫu nhiên có thể tạo “vân tay” chống hàng giả cho mọi sản phẩm

Một chai rượu, linh kiện điện tử, tác phẩm nghệ thuật hay hộp thuốc thường được xác thực bằng số serial, QR code, hologram hoặc chip bảo mật. Nhưng tất cả những phương pháp này đều có một điểm chung: nhà sản xuất phải chủ động tạo ra một mã nhận dạng rồi gắn nó lên sản phẩm.

Một nhóm nghiên cứu tại KAIST và Sungkyunkwan University đang thử một hướng gần như ngược lại: không cần “viết” mã theo cách thông thường, mà để vật liệu tự tạo ra một dấu vân tay ngẫu nhiên không thể tái tạo chính xác.

Công trình được công bố trên Nature Communications ngày 23/7/2026 và được KAIST giới thiệu ngày 26/8/2026. Nhóm của giáo sư Sang Ouk Kim và giáo sư Seok Joon Kwon sử dụng các hạt colloid kích thước dưới micromet tự lắp ráp trên bề mặt nước. Trong quá trình này, vô số miền tinh thể nhỏ hình thành với kích thước và hướng khác nhau một cách không xác định trước.

Kết quả là mỗi mẫu vật liệu có một cấu trúc vi mô riêng, giống như dấu vân tay của con người. Quan trọng hơn, cấu trúc đó tạo ra hai kiểu tín hiệu quang học độc lập: một mẫu phản xạ màu khi chiếu ánh sáng trắng và một mẫu nhiễu xạ khi chiếu laser.

Nhờ vậy, cùng một “nanofingerprint” có thể được kiểm tra theo hai cách mà không cần kính hiển vi điện tử hay máy quang phổ đắt tiền. Trong thí nghiệm, nhóm sử dụng đèn LED trắng thương mại và laser xanh bước sóng 532 nm. KAIST cho biết nguyên lý có thể triển khai với những nguồn sáng phổ biến như đèn flash smartphone và laser pointer.

Physical Unclonable Function: bảo mật bằng thứ không thể sản xuất giống hệt lần thứ hai

Công nghệ này thuộc một lĩnh vực được gọi là Physical Unclonable Function, viết tắt là PUF.

PUF khai thác những sai khác vật lý xuất hiện tự nhiên trong quá trình chế tạo. Thay vì cố loại bỏ các sai khác đó như một loại lỗi sản xuất, hệ thống biến chính sự ngẫu nhiên thành thông tin bảo mật.

Ý tưởng có thể hình dung đơn giản như sau: hai con chip được sản xuất từ cùng thiết kế vẫn có những sai lệch cực nhỏ ở transistor, đường dẫn hay đặc tính điện. Nếu những sai lệch này đủ ổn định và khó sao chép, chúng có thể trở thành “vân tay” phần cứng.

Trong nghiên cứu mới, đối tượng ngẫu nhiên không phải transistor mà là cách các hạt colloid tự sắp xếp.

Ngay cả khi kẻ làm giả biết loại vật liệu, kích thước hạt và toàn bộ quy trình chế tạo, việc tái tạo chính xác vị trí, kích thước và hướng của hàng chục nghìn miền tinh thể trên một mẫu cụ thể vẫn là bài toán cực kỳ khó.

Không phải càng hỗn loạn càng tốt

Một chi tiết thú vị của nghiên cứu là cấu trúc tốt nhất không phải một mớ hạt hoàn toàn ngẫu nhiên.

Nếu tất cả hạt được sắp xếp thành một tinh thể đơn hoàn hảo, tín hiệu quang học quá đơn giản: bề mặt cho màu tương đối đồng nhất và nhiễu xạ tạo các điểm có tính đối xứng rõ ràng.

Ngược lại, nếu hạt hoàn toàn vô trật tự, hệ cũng mất nhiều thông tin có cấu trúc. Nhiễu xạ có xu hướng trở thành một vòng mờ thay vì một mẫu giàu chi tiết.

Nhóm nghiên cứu chọn trạng thái ở giữa: polycrystalline — bề mặt gồm rất nhiều miền tinh thể nhỏ, mỗi miền có trật tự nội bộ nhưng kích thước và hướng của từng miền lại ngẫu nhiên.

Chính cấu trúc “có trật tự cục bộ nhưng hỗn loạn toàn cục” này tạo đủ tín hiệu quang học để nhận dạng, đồng thời giữ được tính khó dự đoán.

Các nanoparticle tự tạo “vân tay” như thế nào?

Nhóm sử dụng các hạt polystyrene hình cầu có kích thước từ khoảng 532 nm tới vài micromet. Các hạt được đưa lên mặt phân cách không khí–nước trong hỗn hợp chứa ethanol.

Do chênh lệch sức căng bề mặt trong quá trình ethanol bay hơi, hiệu ứng Marangoni giúp các hạt lan trên bề mặt và tự sắp xếp thành mạng lục giác sít chặt.

Nhưng quá trình nucleation không bắt đầu tại một điểm duy nhất. Nhiều cụm tinh thể hình thành tại các vị trí khác nhau, mỗi cụm có hướng riêng. Khi chúng lớn lên và chạm nhau, một màng đơn lớp polycrystalline xuất hiện với rất nhiều grain boundary.

Những điều kiện vi mô như dao động nhiệt, vị trí nucleation và động học lan truyền khiến bản đồ cuối cùng không thể định trước hoàn toàn.

Trong một nhãn PUF kích thước 1 × 1 cm² điển hình, nhóm ước tính có khoảng 80.000 miền tinh thể, với bán kính grain trung bình khoảng 20 micromet.

Một vật liệu, hai không gian xác thực

Điểm nổi bật nhất của nghiên cứu là cùng một cấu trúc được đọc trong hai “không gian” khác nhau.

Nhóm gọi chúng là real space và reciprocal space.

Ở real space, ánh sáng trắng chiếu lên bề mặt tạo các vùng phản xạ Bragg khác nhau tùy hướng của từng miền tinh thể. Người quan sát thu được một bản đồ màu và độ sáng mang tính đặc trưng.

Ở reciprocal space, một chùm laser xanh nhỏ xuyên qua một vùng của nhãn và tạo ra mẫu nhiễu xạ. Hướng của các miền tinh thể trong vùng được chiếu quyết định vị trí và cường độ những vệt sáng xuất hiện trên màn quan sát.

Hai tín hiệu đều xuất phát từ cùng một cấu trúc, nhưng chúng không tiết lộ toàn bộ thông tin của nhau. Điều này khiến việc suy ngược từ một mẫu quang học để tái tạo mẫu còn lại trở nên rất khó.

Đèn flash cho “dấu mặt”, laser cho “dấu vân tay” thứ hai

KAIST ví cách xác thực hai lớp này giống như nhận dạng một người bằng cả khuôn mặt và dấu vân tay.

Với ánh sáng trắng, toàn bộ nhãn có thể tạo ra một ảnh phản xạ đặc trưng. Thay đổi góc chiếu sáng cũng tạo ra các challenge-response pair khác nhau. Ảnh được chuyển thành dãy bit để dùng làm khóa hoặc mã nhận dạng.

Với laser, hệ thống có thể chiếu vào từng vị trí nhỏ trên nhãn. Trong nghiên cứu, đường kính chùm laser khoảng 600 micromet. Mỗi vị trí tạo ra một mẫu nhiễu xạ riêng và mẫu này cũng có thể số hóa thành chuỗi bit.

Do một nhãn 1 × 1 cm² có thể cung cấp hơn 100 vị trí chiếu khác nhau, hệ thống không chỉ có một khóa cố định. Máy chủ có thể yêu cầu kiểm tra các điểm theo một trình tự cụ thể, biến thứ tự quét thành một phần của challenge.

Điều này làm không gian khóa tăng rất nhanh.

Không gian khóa lý thuyết có thể vượt 10¹⁸⁴

Theo tính toán của nhóm, tín hiệu phản xạ ở real space có thể cung cấp tới khoảng 10²⁰ cấu hình khóa khác nhau khi kết hợp các điều kiện góc chiếu.

Ở reciprocal space, việc quét nhiều vị trí bằng laser và thay đổi trình tự có thể tạo số tổ hợp lên tới khoảng 10¹⁶⁴.

Kết hợp hai không gian, nhóm ước tính tổng số trường hợp lý thuyết có thể vượt khoảng 10¹⁸⁴.

Con số này không nên được hiểu là hệ thống thực tế sẽ lưu trữ 10¹⁸⁴ sản phẩm khác nhau hay tương đương trực tiếp với một khóa mật mã có từng đó trạng thái an toàn. Nó phản ánh không gian tổ hợp vật lý và challenge-response rất lớn mà cấu trúc có thể cung cấp.

Độ an toàn thực tế còn phụ thuộc vào cách thiết bị được đọc, dữ liệu chuẩn được lưu, giao thức xác thực, khả năng chống giả mạo phần mềm và mức độ kẻ tấn công có thể truy cập mẫu thật.

“Ngẫu nhiên” phải vừa khác nhau, vừa đọc lại được

Một PUF chỉ hữu ích nếu đáp ứng hai yêu cầu tưởng như mâu thuẫn.

Hai nhãn khác nhau phải cho kết quả đủ khác để không bị nhầm với nhau. Nhưng cùng một nhãn khi đo lại nhiều lần phải cho kết quả đủ giống để hệ thống nhận ra đó vẫn là vật thể cũ.

Nhóm kiểm tra đặc tính này bằng Hamming distance — phép đo mức khác biệt giữa các chuỗi bit.

Với mẫu phản xạ Bragg, inter-Hamming distance giữa các PUF khác nhau đạt khoảng 0,501 ± 0,036, rất gần giá trị lý tưởng 0,5 đối với hai chuỗi ngẫu nhiên độc lập. Trong khi đó, intra-Hamming distance của cùng một nhãn khi đo lặp lại chỉ khoảng 0,007 ± 0,005.

Ở chế độ nhiễu xạ laser, các giá trị inter-Hamming distance cũng xấp xỉ 0,5, còn intra-Hamming distance khoảng 0,011 ± 0,008.

Nói đơn giản: các nhãn khác nhau trông đủ khác, trong khi cùng một nhãn có thể được đọc lại khá ổn định.

Vì sao một kẻ làm giả khó chỉ “chụp rồi in lại”?

Đối với QR code, một bức ảnh rõ nét có thể chứa gần như toàn bộ thông tin cần thiết để sao chép hình ảnh.

Nanofingerprint trong nghiên cứu này khác ở chỗ ảnh nhìn thấy bằng ánh sáng trắng chỉ là một phần phản ứng của cấu trúc vật lý.

Nếu kẻ tấn công chụp lại mẫu màu trên bề mặt rồi in một hình giống hệt, bản in đó chưa chắc tạo đúng mẫu nhiễu xạ khi laser chiếu xuyên qua.

Ngược lại, nếu cố tái tạo một mẫu nhiễu xạ ở một vị trí cụ thể, kẻ làm giả vẫn phải khiến toàn bộ cấu trúc cho đúng phản xạ Bragg ở nhiều góc khác nhau và đúng nhiễu xạ tại các vị trí khác.

Để sao chép hoàn toàn, về nguyên tắc cần tái dựng cấu trúc nanoscale của hàng chục nghìn miền tinh thể — cả vị trí, hình dạng, hướng lattice và defect — chứ không chỉ sao chép một hình ảnh hai chiều.

Đây chính là lợi thế của PUF: thông tin nằm trong vật lý của vật thể, không chỉ trong hình đồ họa mà mắt nhìn thấy.

Điểm quan trọng: không cần kính hiển vi để xác thực hằng ngày

Nhiều PUF nanoscale trước đây gặp một nghịch lý thực dụng. Cấu trúc càng nhỏ và phức tạp thì càng khó làm giả, nhưng cũng càng khó kiểm tra.

Nếu mỗi lần xác thực một chai thuốc hoặc linh kiện lại phải dùng kính hiển vi điện tử, hệ thống gần như không thể triển khai đại trà.

Nghiên cứu mới cố giải quyết chính điểm này bằng cách khiến nanostructure “phóng đại” thông tin của nó ra miền ánh sáng nhìn thấy.

Phản xạ Bragg biến khác biệt về hướng tinh thể thành màu và vùng sáng có thể quan sát bằng nguồn sáng trắng. Nhiễu xạ biến sắp xếp vi mô thành mẫu ánh sáng kích thước centimet trên một mặt phẳng quan sát.

KAIST cho biết việc xác thực vì thế có thể sử dụng các công cụ phổ biến như đèn flash smartphone và laser pointer, thay vì thiết bị phân tích chuyên dụng.

Nhóm cũng tạo một bộ gá in 3D để người dùng định vị laser tại các tọa độ xác định và chứng minh những người khác nhau có thể tái tạo cùng mẫu nhiễu xạ khi kiểm tra cùng một vị trí.

Không cần chip bảo mật — nhưng vẫn cần hạ tầng xác thực

Tiêu đề “không cần chip bảo mật” đúng theo nghĩa một sản phẩm có thể mang danh tính vật lý mà không phải tích hợp một secure element điện tử phức tạp.

Tuy nhiên, nhãn PUF không phải một hệ thống chống hàng giả hoàn toàn độc lập.

Khi một sản phẩm được sản xuất, các mẫu phản xạ hoặc response tương ứng cần được đăng ký trước. Khi xác thực, hệ thống phải so sánh tín hiệu đo được với dữ liệu chuẩn hoặc dùng challenge-response đã được lưu.

Vì vậy, một triển khai thương mại vẫn cần cơ sở dữ liệu, phần mềm xử lý ảnh, quy trình quản lý khóa hoặc máy chủ xác thực. Smartphone có thể là thiết bị đọc, nhưng phần mềm phía sau vẫn là một phần quan trọng của chuỗi tin cậy.

PUF không loại bỏ cryptography. Nó cung cấp một trust anchor vật lý có thể bổ sung cho cryptography.

Có thể chuyển “vân tay” sang kim loại, nhựa trong và hydrogel

Một ưu điểm thực tế khác là cấu trúc colloid ban đầu có thể dùng như template để chuyển hình thái sang nhiều vật liệu khác.

Nhóm đã thử các cấu trúc trên nhựa mềm, kim loại, màng trong suốt và hydrogel. Bài báo cũng đề cập vật liệu dẫn trong suốt vô cơ và elastomer.

Điều này quan trọng vì nhãn chống hàng giả hiếm khi tồn tại như một miếng vật liệu độc lập. Nó phải chịu được điều kiện của sản phẩm thật: uốn, nhiệt, hóa chất, nước hoặc yêu cầu thẩm mỹ.

Một nhãn trong suốt có thể đặt lên bao bì mà không che thiết kế. Một phiên bản kim loại có thể phù hợp với linh kiện hoặc thiết bị cần độ bền cao. Cấu trúc hydrogel mở ra những môi trường mềm và ẩm mà tem cứng truyền thống khó sử dụng.

Vì vậy, cụm từ “cho mọi sản phẩm” nên được hiểu là một nền tảng có khả năng chuyển sang nhiều loại bề mặt và vật liệu, chứ chưa phải công nghệ đã được chứng minh tương thích với mọi hàng hóa trên thị trường.

Ứng dụng đầu tiên có thể là hardware ID cho thiết bị điện tử

KAIST nhấn mạnh khả năng dùng PUF này như một hardware ID cho thiết bị điện tử và Internet of Things.

Trong một dây chuyền sản xuất, mỗi module có thể nhận một nanofingerprint khác nhau ngay cả khi tất cả được chế tạo cùng quy trình. Nhà sản xuất đăng ký fingerprint của từng đơn vị và dùng nó để xác minh linh kiện trong suốt vòng đời.

Đối với chuỗi cung ứng điện tử, điều này có thể giúp phát hiện linh kiện bị thay thế, module không rõ nguồn gốc hoặc sản phẩm giả mạo serial number.

PUF vật lý cũng có thể liên kết một identity số với một vật thể cụ thể. Nếu serial number có thể được sao chép bằng cách in lại, fingerprint vật liệu đóng vai trò kiểm chứng rằng serial đó đang xuất hiện trên đúng vật thể đã đăng ký.

Hàng xa xỉ, tác phẩm nghệ thuật và dược phẩm

Những lĩnh vực có giá trị trên mỗi sản phẩm cao là ứng viên tự nhiên cho công nghệ chống hàng giả mới.

Với túi xách, đồng hồ hoặc chai rượu cao cấp, nhà sản xuất có thể tích hợp một mảng PUF nhỏ lên nhãn hoặc cấu trúc bao bì. Người kiểm tra chiếu ánh sáng theo điều kiện quy định rồi đối chiếu fingerprint với cơ sở dữ liệu.

Đối với tác phẩm nghệ thuật, một lớp PUF trong suốt hoặc cấu trúc được gắn ở vị trí kín có thể tạo thêm một đặc điểm xác thực vật lý ngoài hồ sơ provenance.

Với dược phẩm, tiềm năng đặc biệt lớn vì hàng giả không chỉ gây thiệt hại kinh tế mà còn liên quan trực tiếp tới sức khỏe. Tuy nhiên, việc dùng trên thuốc hoặc bao bì y tế sẽ cần đánh giá độ bền, độc tính vật liệu, quy trình sản xuất và yêu cầu pháp lý riêng.

Laser pointer vẫn là một bước phụ so với “chỉ cần smartphone”

Một điểm cần nói rõ là nghiên cứu chưa chứng minh mọi tầng xác thực đều thực hiện chỉ bằng một điện thoại trần.

Đèn flash smartphone có thể đóng vai trò nguồn ánh sáng trắng. Nhưng kênh reciprocal-space trong thí nghiệm sử dụng laser xanh 532 nm, và việc đọc ổn định còn cần định vị chùm laser tại vùng quy định.

Do đó, phiên bản tiêu dùng lý tưởng có thể cần một phụ kiện nhỏ hoặc module quang học tích hợp để đảm bảo góc chiếu, vị trí và chất lượng ảnh đủ nhất quán.

Giá trị của nghiên cứu không phải đã biến mọi smartphone thành máy kiểm định hàng giả tức thì, mà là hạ yêu cầu thiết bị đọc từ phòng thí nghiệm quang học xuống những linh kiện rất rẻ và phổ biến.

Kẻ tấn công có thể nhắm vào database thay vì nanoparticle

Khi phần vật lý trở nên khó sao chép, bề mặt tấn công có thể chuyển sang tầng số.

Nếu cơ sở dữ liệu fingerprint bị sửa, tài khoản nhà sản xuất bị chiếm quyền hoặc ứng dụng xác thực bị giả mạo, một nhãn vật lý mạnh cũng không tự động bảo vệ toàn bộ hệ thống.

Đây là nguyên tắc phổ biến của security engineering: chuỗi bảo mật chỉ mạnh bằng mắt xích yếu nhất.

Một triển khai thực tế vì thế có thể cần ký số dữ liệu đăng ký, xác thực server, bảo vệ API, chống replay challenge và ghi nhật ký chuỗi cung ứng.

Nanofingerprint giải quyết rất tốt câu hỏi “vật thể này có đặc điểm vật lý giống vật thể gốc đã đăng ký hay không?”. Nó không thay thế mọi lớp bảo mật khác.

PUF cũng không đồng nghĩa “bất khả phá”

Thuật ngữ unclonable dễ tạo cảm giác tuyệt đối. Trong thực tế, các nhà nghiên cứu bảo mật thường đánh giá PUF theo mô hình đe dọa cụ thể.

Kẻ tấn công có được mẫu thật trong bao lâu? Họ có thể đo bằng thiết bị phòng thí nghiệm cao cấp không? Có thể quan sát bao nhiêu challenge-response pair? Có thể chế tạo nanostructure bằng lithography tinh vi đến mức nào? Có thể lừa camera hoặc phần mềm xác thực thay vì sao chép vật liệu không?

Bài báo cho thấy cấu trúc dual-space làm việc tái dựng khó hơn đáng kể vì mỗi tín hiệu chỉ tiết lộ một phần thông tin của cấu trúc ba chiều ảo gồm vị trí và hướng tinh thể.

Nhưng từ kết quả phòng thí nghiệm tới một tiêu chuẩn chống giả thương mại vẫn cần thêm các thử nghiệm red-team, độ bền môi trường, lão hóa, sản xuất hàng loạt và đánh giá chi phí.

Điểm mới không phải nanoparticle, mà là cách biến ngẫu nhiên thành khóa dễ đọc

Nanoparticle, photonic crystal và PUF quang học đều đã được nghiên cứu nhiều năm. Giá trị của công trình KAIST–Sungkyunkwan nằm ở cách ghép ba yếu tố vốn khó có đồng thời.

Thứ nhất là ngẫu nhiên vật lý cao từ quá trình tự lắp ráp.

Thứ hai là hai kênh xác thực độc lập từ real space và reciprocal space.

Thứ ba là cách đọc bằng ánh sáng nhìn thấy với thiết bị rẻ.

Thông thường, tăng entropy của một cấu trúc đồng nghĩa phải dùng công cụ đọc phức tạp hơn. Nghiên cứu này tìm cách giữ cấu trúc ở nanoscale nhưng khiến fingerprint của nó hiện ra dưới dạng phản xạ và nhiễu xạ có thể quan sát ở kích thước lớn.

Từ mã được in sang danh tính được “sinh ra”

QR code có danh tính vì máy in đặt từng ô đen trắng theo một bản thiết kế. Chip bảo mật có danh tính vì transistor và khóa được chế tạo, nạp và quản lý theo một quy trình xác định.

PUF đưa ra một ý tưởng khác: một vật thể có thể có danh tính vì quá trình sản xuất không bao giờ lặp lại chính xác ở cấp vi mô.

Những sai khác mà ngành chế tạo thường cố loại bỏ có thể trở thành nguồn entropy miễn phí.

Trong hệ của KAIST, các hạt tự lắp ráp thành hàng chục nghìn miền tinh thể. Không ai cần quyết định trước grain nào quay 17 độ, grain nào nằm ở tọa độ nào hay biên giữa chúng sẽ chạy ra sao. Quá trình vật lý tự tạo ra cấu hình đó.

Sau khi cấu hình hình thành, hệ thống chỉ cần đăng ký phản ứng quang học của nó như một fingerprint.

Một tương lai nơi mỗi vật thể có “vân tay” riêng

Nếu các PUF vật liệu có thể được sản xuất đủ rẻ, bền và dễ đọc, chống hàng giả có thể chuyển từ việc gắn cùng một loại tem bảo mật lên hàng triệu sản phẩm sang việc để mỗi đơn vị sản phẩm sở hữu một đặc điểm vật lý độc nhất.

Một lô linh kiện giống hệt nhau về chức năng vẫn có thể có một nanofingerprint khác nhau. Hai chai thuốc có bao bì giống nhau vẫn có identity vật lý riêng. Một artwork có thể mang dấu xác thực mà việc chụp ảnh hoặc scan bề mặt không đủ để sao chép.

Công nghệ được công bố năm 2026 chưa biến điều đó thành hạ tầng thương mại phổ quát. Hệ thống vẫn cần quy trình đăng ký, thiết bị đọc phù hợp, phần mềm xác thực và đánh giá độ bền trong môi trường thật.

Nhưng nghiên cứu chỉ ra một hướng đáng chú ý: trong bảo mật vật lý, thứ quý giá nhất đôi khi không phải khả năng chế tạo mọi thứ giống hệt nhau, mà chính là khả năng tạo ra sự khác biệt mà ngay cả nhà sản xuất cũng không thể dự đoán trước.

Nguồn tham khảo

• Nature Communications: Dual-space visible light authentication toward high security physical unclonable function, 23/7/2026.
• KAIST: Uses Light to Distinguish Real from Fake with Hard-to-Replicate “Artificial Fingerprints”, 26/8/2026.
• Nature Electronics: Physical unclonable functions, 2020.
• Nature Electronics: Nanoscale physical unclonable function labels based on block copolymer self-assembly, 2022.