LiNbO3-based Optical PUFs for Post-Quantum Cryptographic Key Generation and Authentication: Dual Doping Pathways, Entropy Model, and Security Analysis

Sergiy Skrebtsov, Gennady Khalimov, Volodymyr Oleksiyovych Chyshkala

Published Jul 7, 2026• 1 citation

Abstract

We extend the analytical entropy model of LiNbO3-based optical Physical Unclonable Functions (PUFs) in two directions. First, we introduce and compare two independent photorefractive suppression pathways: MgO doping (calibrated, four experimental points, zero residual error) and ZnO doping (new, partially calibrated via a real nonlinearity point at 4.6 mol.% ZnO). A critical

DOI: 10.5281/zenodo.21237356

Related papers

LiNbO3-based Optical Physical Unclonable Functions with Optimised Cryptographic Entropy via Rare-Earth Co-doping: Analytical Model, NIST SP 800-22 Compliance, BER Analysis, Long-term Stability, and Security Comparison

Sergiy Skrebtsov, Gennady Khalimov, Volodymyr Oleksiyovych Chyshkala

Abstract We address a fundamental problem in optical Physical Unclonable Function (PUF) design: the entropy-photorefraction trade-off in LiNbO3 single crystals, where MgO doping that suppresses photorefractive degradation simultaneously reduces cryptographic entropy by 20-25%. This problem has no solution in existing optical PUF literature. We propose rare-earth element (REE) co-doping as a decoupled solution: Er3+, Yb3+, Nd3+ ions substituting Li+ sites restore entropy via controlled ionic mismatch scattering without affecting photorefractive suppression. We derive an analytical entropy model H(c,T) calibrated against four experimental data points with zero residual error. Key calibrated result: 4 mol.% MgO + Er3+ + Yb3+ achieves H=95.8%, full NIST SP 800-22 compliance across −40 to +85°C, BER < 10−20, and >30 year projected lifetime. We report a previously unknown finding: standard 5 mol.% MgO fails NIST Uniqueness (D=44.08% < 45%). Direct comparison with four optical PUF platforms from literature shows our approach uniquely combines full temperature range, 20+ year lifetime, NIST compliance, and ML resistance. An experimental verification programme (42 compositions, criteria V1-V5) is outlined.

Jul 28, 20260 citations

CsPbBr3 Perovskite Nanocrystal-based Optical Physical Unclonable Functions for Post-Quantum Cryptography: Size Disorder Entropy Model, Dopant Engineering, and Security Analysis

Sergiy Skrebtsov, Gennady Khalimov, Volodymyr Oleksiyovych Chyshkala

We present the first theoretical study of CsPbBr3 perovskite nanocrystal (QD)-based optical Physical Unclonable Functions (PUFs) for post-quantum cryptographic applications. Unlike previous optical PUF platforms, CsPbBr3 PUFs exploit two independent entropy sources: (1) inherent size disorder of colloidal QD synthesis (dominant) and (2) ionic mismatch of B-site dopants (Mn2+, Yb3+, Bi3+) substituting Pb2+. We derive an analytical entropy model H(c,T)

Jul 9, 20261 citation

Photonic augmented security via physical unclonable functions

Paul Jimenez

Dans un contexte où la multiplication des objets connectés est de plus en plus importante et où la protection des données est critique, certaines nouvelles technologies et certains outils peuvent être utilisés afin de compromettent la sécurité des dispositifs matériels. Pour lutter contre les attaques sur les dispositifs, les fonctions physiques non-clonables (Physical Unclonable Functions, PUFs) constituent une solution prometteuse. Cette classe de primitive de sécurité tire profit des variations des procédés de fabrication pour créer des circuits uniques. Lorsque soumis à certains stimuli, ils génèrent une ou plusieurs réponses qui peuvent être utilisées dans des protocoles d'authentification ou pour générer des clés cryptographiques uniques. Sachant que les variations de fabrications sont imprédictibles et aléatoires, les PUFs peuvent servir d'empreintes digitales idéalement non-clonable. On retrouve à la genèse des PUFs un système optique utilisant un laser et un échantillon comportant des centres de diffusion diélectriques, ce système n'étant pas intégrable dans nos appareils, on a vu l'émergence de PUFs électroniques facilement intégrables. Cependant, beaucoup d'entre eux ont montré leurs limites, on a alors vu l'émergence de nouveaux PUFs photoniques, s'appuyant sur le développement des technologies en photonique intégrée ces dernières années et sur les nombreux degrés de liberté que l'utilisation de la lumière apporte. Comme évoqué, les PUFs ayant étés principalement électroniques, on s’est beaucoup concentré sur les réponses binaires de PUFs dont on essaie de quantifier les propriétés aléatoires dans le domaine binaire. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manière dont nous pouvons quantifier les propriétés aléatoires des réponses de PUFs ou des générateurs de nombre aléatoires opérant dans le domaine analogique, comme ce peut être le cas avec les PUFs photoniques. Nous nous sommes alors penchés sur trois métriques l'approximate entropy (ApEn), la fuzzy entropy (FuzEn) et la disentropie de l'autocorrélation. Nous avons voulu comparer cette dernière à l'ApEn utilisée en sécurité et la FuzEn étant une version améliorée de l'ApEn. Nous avons alors vu que la disentropie de l'autocorrélation pouvait détecter des patterns discrets présents dans une séquence analogique. Cette dernière pouvant être une réponse de générateur de nombre aléatoire ou de PUF opérant dans le domaine analogique. Nous avons cependant noté certaines de ses limites. Il existe de multiples similarités entre le premier PUF optique fonctionnant avec un laser et des centres de diffusion diélectriques et les systèmes de résonateurs en anneau photoniques fonctionnant dans le domaine temporel. En nous appuyant sur la littérature, nous avons voulu tout d'abord travailler sur des systèmes composés de résonateurs en anneau. Nous avons alors fait fabriquer ces structures sur une plateforme SiN, nous permettant de quantifier les tolérances de fabrication de la plateforme et l'impact des tolérances de fabrication sur les structures. Les mesures ont été effectuées dans le domaine spectral et ont permis de montrer qu'il était possible de fabriquer des circuits uniques. Cette unicité a été vérifiée même lorsque les circuits sont placés les uns à côté des autres, là où les corrélations devraient être les plus grandes. Nous avons également montré qu'en utilisant des algorithmes appropriés, ces signatures spectrales sont robustes aux changements de température. Grâce à ces résultats, nous avons effectué des premières simulations en utilisant la TCMT des les propriétés temporelles de ces structures lorsqu'on les soumet à de la lumière modulée comme challenge et obtenu des résultats encourageants. Enfin, cette thèse s'ouvre sur une humble réflexion autour de diverses questions et conséquences sociales, éthiques ou philosophiques des technologies d’identification hardware comme les PUFs.

Sep 29, 20250 citations

A Multi-Level Quantum-Resistant Authentication Framework for Next-Generation Power Systems

Xin Jin, Lanlan Zhang, Yucheng Wang +3 more

The advent of large-scale quantum computing poses critical threats to classical public-key cryptography, raising urgent concerns for mission-critical infrastructures such as power systems. Existing authentication mechanisms—whether based on physical unclonable functions (PUFs), quantum key distribution (QKD), or post-quantum cryptography (PQC)—each offer unique advantages but also face limitations when deployed in isolation. This paper presents a multi-level quantum-resistant authentication methodology that systematically integrates PUF-based device identity, QKD-derived symmetric keys, and PQC-based primitives. To unify these heterogeneous sources, we design a structured session key fusion mechanism that incorporates entropy preprocessing, cross-layer validation tokens, forward-linked context binding, and dual key derivation functions (KDFs). The resulting session key is inseparably derived from all layers, eliminating single points of failure and enhancing defense against both classical and quantum adversaries. Compared with prior single-layer or loosely coupled approaches, the proposed design achieves defense-in-depth, practical scalability across edge and backbone infrastructures, and alignment with emerging cryptographic standards, providing a secure pathway for next-generation power communication systems.

International Symposium on Computer Engineering and Intelligent Communications (ISCEIC)Nov 24, 20250 citations

Photorefractive Optical Cryptography: A Personal Tour

Kehar Singh

Springer proceedings in physicsJan 1, 20170 citations

Multi-level modulated optical physical unclonable function with high sensitivity for large-capacity cryptographic key generation

Ruijie Hui, Fei Liang Chen, Haonian Fang +2 more

The rapid proliferation of IoT devices has heightened the demand for efficient security solutions. Optical physical unclonable functions (O-PUFs) present a promising alternative due to their intrinsic strong physical randomness and unclonability. However, conventional O-PUFs are restricted by fixed configurations, leading to limited key generation capacity. This work proposes a multi-level modulated O-PUF key generation scheme. For phase-encoded challenges, the proposed scheme introduces a diffuser to distort the wavefront and enhance modulation sensitivity. Dynamic modulation is realized by the rotation and translation of the O-PUF and the adjustment of a half-wave plate and a linear polarizer. A key generation system with ZnO-particle-embedded O-PUF is demonstrated, and a simulated annealing algorithm is introduced to optimize phase encoding for enhanced response randomness. A logistic regression-based matched filter is designed to improve the entropy of initial keys, and a fuzzy extractor enables the generation of a reliable, unique, large-capacity cryptographic key. This work advances optical PUF key generation and provides a robust foundation for cryptographic security.

Optics ExpressAug 20, 20260 citations