2024年初，上海理工大学光子芯片研究院的顾敏院士团队与南京大学陆延青教授团队通力合作，联合提出了一种基于级联液晶全息图的多维复用光学秘密共享方案，该研究成果以“Multi-dimensional multiplexing optical secret sharing framework with cascaded liquid crystal holograms”为题发表在《Opto-Electronic Advances》(Opto-Electron. Adv. 7, 230121 (2024))。研究人员在光路系统中使用了瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的偏振光学元件。

背景

在大数据时代的背景下，保护信息安全显得尤为关键。光学秘密共享方案将信息加密并物理分割到不同的分享份中，只有将足够的分享份级联才能够解密出信息，因其高安全性和快速信息处理能力而受到关注，可以广泛应用于信息加密与防伪等领域。全息技术是光学加密的重要实现方法，同时可以将光的不同物理维度作为独立信息通道，实现全息复用。近年来涌现的超表面全息复用技术，满足了光学系统小型化、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属性，在构建具有动态可调性以及高衍射效率的级联光学秘密共享平台方面仍面临巨大挑战。为实现低成本、使用便捷、高效率和大容量的级联光学秘密分享方案，具有高衍射效率和电压可调开关特性的各向异性结构的液晶光电子材料给予了全新思路。

本文亮点

顾敏院士与陆延青教授联合团队提出的光学秘密共享方案，使用入射光的偏振态和液晶全息片之间的距离作为密钥实现信息加密。他们在设计过程中使用角谱衍射理论，创建了一个误差反向传播神经网络，完成了复杂的多约束和级联多层问题的逆向设计。网络在加密过程中的多维输入，如入射光的偏振态、级联液晶分享份所施加的外部电压及其之间的距离，显著增强了秘密信息的安全性，且允许同时进行多条信息的超高安全传输，克服了传统全息加密方法的不足，具有许多优势。第一时间，秘密图像隐藏在不同的分享份（单片液晶全息图）中，只能顺利获得级联分享份来解密。即使其中一个分享份被窃取，也无法得到最终的秘密信息，只会显示出认证图像，这大大提高了秘密共享平台的安全性。其次，多维多路复用技术增加了秘密密钥的复杂性，提高了安全性和信息容量，此外，还可以顺利获得增加更多的秘密分享份和利用线偏振态复用来进一步增加加密的信息通道。有趣的是，液晶器件的灵活电调节能力，可有效提高所提出的秘密共享框架的安全性。施加的外部电压可以独立映射到不同的秘密分享份上，为解密秘密信息设置了更加严格的条件，显著降低了信息泄露的可能性。

概述

在实验上，如图所示，联合团队顺利获得控制入射光的偏振态、分享份之间距离，并在液晶层外部施加不同的电压状态最终实现了八张图片的复用。在此方案中，秘密信息被分解并分配到两个相互约束的液晶全息图中，当这两个液晶全息图级联在一起时，只需要调节每个液晶分享份的外部施加电压（Uon ,Uoff ），可以使每个单独的全息图都能在特定位置重建一个认证图像（数字2或4）。进一步的，在每个液晶分享份都处于高调制效率的电压下（Uon），可以用不同的秘密密钥解密出六个独立的操作图像（运算符号），这些密钥包括入射光的偏振和级联液晶全息图之间的距离。最终的加密信息可以顺利获得对认证图像之间进行不同操作图像所显示的数学运算，从而经过二次解码得到。液晶元件的成熟制造技术使该方案更加实用和多功能，凭借便捷的设计、低成本的制造和超高的安全性，该多维多路复用光学秘密共享方案在超高容量信息存储、动态全息显示和多功能光学信息处理等方面具有巨大应用潜力。

图 1 基于级联液晶全息图的多维复用光学秘密共享示意图

主要研究团队

顾敏院士2021年创办上海理工大学光子芯片院并任担任院长，团队为开展更快、更集成、更绿色的光学人工智能技术召开光子芯片、全光深度学习、超分辨光学显微、光存储技术等多个方向的交叉研究。近年来，研究院取得科技部重大专项，上海市市级重大专项，上海张江国家自主创新示范区专项开展资金等重大项目支持，建立了上海市类脑光子芯片前沿科研研究基地。代表性工作发表在Nature，Science, Nature Photonics, Nature Nanotechnology，Nature Communications, Science Advances等顶尖期刊。

团队简介

顾敏，上海理工大学校务委员会执行主席、光子芯片研究院院长、教授。澳大利亚科研院院士、澳大利亚技术科研与工程院院士、中国工程院外籍院士。国际电气与电子工程师学会(IEEE)会士、国际光学工程学会（SPIE）会士、美国光学学会（Optica, formerly OSA）会士、英国物理学会(IOP)会士、澳大利亚物理学会(AIP)会士、中国光学学会（COS）会士等。现在已出版4部专著，并在Nature, Science, Nature Photonics，Nature Nanotechnology, Nature Communications等刊物发表纳米/生物光子学领域论文500余篇。曾获澳大利亚光学学会Beattie Steel奖、澳大利亚科研院Ian Wark 奖、澳大利亚物理学会Boas奖、维多利亚科研创新奖、国际光学及光子学学会Dennis Gabor 奖、 美国光学学会Emmett Norman Leith奖章。

陆延青，南京大学教授、副校长，主要研究方向为非线性晶体、液晶、光纤及超构材料等不同体系中光与物质相互作用的规律，并开发其在光电信息处理等领域的应用。曾主持国家863/973/重点研发计划、基金重点等项目，在Science、Nature Nano.、Nature Comm.、PRL等刊物上发表论文300余篇。曾获国家自然科研一等奖、江苏省科研技术一等奖、中国光学工程学会科研技术奖一等奖、中国光学十大进展、美国光学学会年度进展等；教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、国家杰出青年科研基金取得者、教育部创新团队带头人、中国光学工程学会会士、中国光学学会会士、美国光学学会会士；Chinese Optics Letters执行主编。

方心远，上海理工大学研究员，博士生导师，光子芯片研究院助理院长。主要研究方向包括多维光场调控，光学神经网络、全息等。现在以第一或通讯（含共同）作者身份发表论文26篇，包含Science，Nature Photonics，Nature Nanotechnology，Advanced Photonics、PhotoniX、Opto-Electronic Advances、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等顶尖期刊。入选上海市曙光学者计划，上海市东方英才（青年项目），中国科协青年托举人才计划，上海市青年科技启明星，上海市晨光学者计划。获中国仪器仪表学会“金国藩青年学子奖”。

陈鹏，南京大学副教授、博导，主要从事液晶与微纳光学研究，在液晶态微纳结构的设计构筑、特种光场的按需调控、智能动态光学元器件的开发应用等方面积累了经验。以第一/通讯作者发表论文20余篇，包括Nature Commun.、Adv. Mater.、Light Sci. Appl.、Opto-Electron. Adv.、Nano Lett.、Laser Photon. Rev.等，两次入选“中国光学十大进展”。担任中国激光杂志社青编委委员、COL和《液晶与显示》青年编委。主持国家重点研发计划青年科研家项目、基金委优青/面上/青年，曾获中国光学工程学会科研技术奖一等奖、中国光学学会光学优博、王大珩光学奖等。