2024年初，上海理工大學(xué)光子芯片研究院的顧敏院士團隊與南京大學(xué)陸延青教授團隊通力合作，聯(lián)合提出了一種基于級聯(lián)液晶全息圖的多維復(fù)用光學(xué)秘密共享方案，該研究成果以“Multi-dimensional multiplexing optical secret sharing framework with cascaded liquid crystal holograms”為題發(fā)表在《Opto-Electronic Advances》(Opto-Electron. Adv. 7, 230121 (2024))。研究人員在光路系統(tǒng)中使用了晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的偏振光學(xué)元件。

背景

在大數(shù)據(jù)時代的背景下，保護信息安全顯得尤為關(guān)鍵。光學(xué)秘密共享方案將信息加密并物理分割到不同的分享份中，只有將足夠的分享份級聯(lián)才能夠解密出信息，因其高安全性和快速信息處理能力而受到關(guān)注，可以廣泛應(yīng)用于信息加密與防偽等領(lǐng)域。全息技術(shù)是光學(xué)加密的重要實現(xiàn)方法，同時可以將光的不同物理維度作為獨立信息通道，實現(xiàn)全息復(fù)用。近年來涌現(xiàn)的超表面全息復(fù)用技術(shù)，滿足了光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化的迫切需求，但受限于精密的加工要求和材料固有物理屬性，在構(gòu)建具有動態(tài)可調(diào)性以及高衍射效率的級聯(lián)光學(xué)秘密共享平臺方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)低成本、使用便捷、高效率和大容量的級聯(lián)光學(xué)秘密分享方案，具有高衍射效率和電壓可調(diào)開關(guān)特性的各向異性結(jié)構(gòu)的液晶光電子材料提供了全新思路。

本文亮點

顧敏院士與陸延青教授聯(lián)合團隊提出的光學(xué)秘密共享方案，使用入射光的偏振態(tài)和液晶全息片之間的距離作為密鑰實現(xiàn)信息加密。他們在設(shè)計過程中使用角譜衍射理論，創(chuàng)建了一個誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成了復(fù)雜的多約束和級聯(lián)多層問題的逆向設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)在加密過程中的多維輸入，如入射光的偏振態(tài)、級聯(lián)液晶分享份所施加的外部電壓及其之間的距離，顯著增強了秘密信息的安全性，且允許同時進行多條信息的超高安全傳輸，克服了傳統(tǒng)全息加密方法的不足，具有許多優(yōu)勢。首先，秘密圖像隱藏在不同的分享份（單片液晶全息圖）中，只能通過級聯(lián)分享份來解密。即使其中一個分享份被竊取，也無法得到最終的秘密信息，只會顯示出認證圖像，這大大提高了秘密共享平臺的安全性。其次，多維多路復(fù)用技術(shù)增加了秘密密鑰的復(fù)雜性，提高了安全性和信息容量，此外，還可以通過增加更多的秘密分享份和利用線偏振態(tài)復(fù)用來進一步增加加密的信息通道。有趣的是，液晶器件的靈活電調(diào)節(jié)能力，可有效提高所提出的秘密共享框架的安全性。施加的外部電壓可以獨立映射到不同的秘密分享份上，為解密秘密信息設(shè)置了更加嚴格的條件，顯著降低了信息泄露的可能性。

概述

在實驗上，如圖所示，聯(lián)合團隊通過控制入射光的偏振態(tài)、分享份之間距離，并在液晶層外部施加不同的電壓狀態(tài)最終實現(xiàn)了八張圖片的復(fù)用。在此方案中，秘密信息被分解并分配到兩個相互約束的液晶全息圖中，當(dāng)這兩個液晶全息圖級聯(lián)在一起時，只需要調(diào)節(jié)每個液晶分享份的外部施加電壓（Uon ,Uoff ），可以使每個單獨的全息圖都能在特定位置重建一個認證圖像（數(shù)字2或4）。進一步的，在每個液晶分享份都處于高調(diào)制效率的電壓下（Uon），可以用不同的秘密密鑰解密出六個獨立的操作圖像（運算符號），這些密鑰包括入射光的偏振和級聯(lián)液晶全息圖之間的距離。最終的加密信息可以通過對認證圖像之間進行不同操作圖像所顯示的數(shù)學(xué)運算，從而經(jīng)過二次解碼得到。液晶元件的成熟制造技術(shù)使該方案更加實用和多功能，憑借便捷的設(shè)計、低成本的制造和超高的安全性，該多維多路復(fù)用光學(xué)秘密共享方案在超高容量信息存儲、動態(tài)全息顯示和多功能光學(xué)信息處理等方面具有巨大應(yīng)用潛力。

圖 1 基于級聯(lián)液晶全息圖的多維復(fù)用光學(xué)秘密共享示意圖

主要研究團隊

顧敏院士2021年創(chuàng)辦上海理工大學(xué)光子芯片院并任擔(dān)任院長，團隊為發(fā)展更快、更集成、更綠色的光學(xué)人工智能技術(shù)開展光子芯片、全光深度學(xué)習(xí)、超分辨光學(xué)顯微、光存儲技術(shù)等多個方向的交叉研究。近年來，研究院獲得科技部重大專項，上海市市級重大專項，上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展資金等重大項目支持，建立了上海市類腦光子芯片前沿科學(xué)研究基地。代表性工作發(fā)表在Nature，Science, Nature Photonics, Nature Nanotechnology，Nature Communications, Science Advances等頂尖期刊。

團隊簡介

顧敏，上海理工大學(xué)校務(wù)委員會執(zhí)行主席、光子芯片研究院院長、教授。澳大利亞科學(xué)院院士、澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士、中國工程院外籍院士。國際電氣與電子工程師學(xué)會(IEEE)會士、國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）會士、美國光學(xué)學(xué)會（Optica, formerly OSA）會士、英國物理學(xué)會(IOP)會士、澳大利亞物理學(xué)會(AIP)會士、中國光學(xué)學(xué)會（COS）會士等。目前已出版4部專著，并在Nature, Science, Nature Photonics，Nature Nanotechnology, Nature Communications等刊物發(fā)表納米/生物光子學(xué)領(lǐng)域論文500余篇。曾獲澳大利亞光學(xué)學(xué)會Beattie Steel獎、澳大利亞科學(xué)院Ian Wark 獎、澳大利亞物理學(xué)會Boas獎、維多利亞科學(xué)創(chuàng)新獎、國際光學(xué)及光子學(xué)學(xué)會Dennis Gabor 獎、 美國光學(xué)學(xué)會Emmett Norman Leith獎?wù)隆?/p>

陸延青，南京大學(xué)教授、副校長，主要研究方向為非線性晶體、液晶、光纖及超構(gòu)材料等不同體系中光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律，并開發(fā)其在光電信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。曾主持國家863/973/重點研發(fā)計劃、基金重點等項目，在Science、Nature Nano.、Nature Comm.、PRL等刊物上發(fā)表論文300余篇。曾獲國家自然科學(xué)一等獎、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎、中國光學(xué)工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、中國光學(xué)十大進展、美國光學(xué)學(xué)會年度進展等；教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、教育部創(chuàng)新團隊帶頭人、中國光學(xué)工程學(xué)會會士、中國光學(xué)學(xué)會會士、美國光學(xué)學(xué)會會士；Chinese Optics Letters執(zhí)行主編。

方心遠，上海理工大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，光子芯片研究院助理院長。主要研究方向包括多維光場調(diào)控，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、全息等。目前以第一或通訊（含共同）作者身份發(fā)表論文26篇，包含Science，Nature Photonics，Nature Nanotechnology，Advanced Photonics、PhotoniX、Opto-Electronic Advances、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等頂尖期刊。入選上海市曙光學(xué)者計劃，上海市東方英才（青年項目），中國科協(xié)青年托舉人才計劃，上海市青年科技啟明星，上海市晨光學(xué)者計劃。獲中國儀器儀表學(xué)會“金國藩青年學(xué)子獎”。

陳鵬，南京大學(xué)副教授、博導(dǎo)，主要從事液晶與微納光學(xué)研究，在液晶態(tài)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)筑、特種光場的按需調(diào)控、智能動態(tài)光學(xué)元器件的開發(fā)應(yīng)用等方面積累了經(jīng)驗。以第一/通訊作者發(fā)表論文20余篇，包括Nature Commun.、Adv. Mater.、Light Sci. Appl.、Opto-Electron. Adv.、Nano Lett.、Laser Photon. Rev.等，兩次入選“中國光學(xué)十大進展”。擔(dān)任中國激光雜志社青編委委員、COL和《液晶與顯示》青年編委。主持國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目、基金委優(yōu)青/面上/青年，曾獲中國光學(xué)工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、中國光學(xué)學(xué)會光學(xué)優(yōu)博、王大珩光學(xué)獎等。