【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 北京理工大學(xué)光電學(xué)院王涌天教授團(tuán)隊、王洪濤教授與國內(nèi)外合作者在Nature Reviews Physics發(fā)表綜述文章“Optical information security”。文章從安全目標(biāo)與系統(tǒng)層次出發(fā)，梳理經(jīng)典、量子及混合光信息安全方案，探討光的高維物理屬性在信息保護(hù)中的潛力及其走向?qū)嵱孟到y(tǒng)的路徑。
 

　　論文第一作者為王洪濤教授，并與南洋理工大學(xué)Weibo Gao教授、新加坡科技設(shè)計大學(xué)Joel K. W. Yang教授共同擔(dān)任通訊作者。該綜述文章由Hongtao Wang(現(xiàn)北京理工大學(xué))、Weibo Gao(南洋理工大學(xué))、Joel K. W. Yang(新加坡科技設(shè)計大學(xué))，聯(lián)合Andrew Forbes(南非金山大學(xué))、Etienne Brasselet(法國波爾多大學(xué)與CNRS)、Zhaogang Dong(新加坡科技設(shè)計大學(xué)與新加坡A*STAR)、Haoran Ren(莫納什大學(xué))、Hao Wang(北京航空航天大學(xué))、Haoran Zhang(南洋理工大學(xué))、Chi Li(莫納什大學(xué))及 Xiaoyan Zhou(新加坡科技設(shè)計大學(xué))共同撰寫完成。
 

　　量子計算的發(fā)展對現(xiàn)有密碼體系提出長期挑戰(zhàn)，人工智能也在改變信息安全的攻防方式。光的偏振、相位、軌道角動量、波長和時間等自由度為高維編碼提供了豐富資源，傳播與干涉則支持并行光學(xué)處理。如何將這些物理優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為可靠、可驗證的安全能力，是綜述關(guān)注的核心問題。
 

　　為貫通不同研究路線，文章采用保密性、完整性、可用性和真實性四項安全目標(biāo)構(gòu)成的CIA+E框架，并將系統(tǒng)劃分為光源、信道、編碼與調(diào)制、光學(xué)處理、探測、協(xié)議與系統(tǒng)、應(yīng)用七個層次(圖1)，比較各類方案的功能、安全假設(shè)與待解決問題。
 

　　高維結(jié)構(gòu)光拓展信息編碼與選擇性讀取能力
 

　　結(jié)構(gòu)光通過設(shè)計光場的空間、偏振、頻譜和時間分布，為信息編碼提供多種可調(diào)控維度。綜述介紹了獨立自由度的組合及不同自由度之間的耦合，包括偏振與軌道角動量構(gòu)成的矢量光場、時空結(jié)構(gòu)光以及波長與渦旋模式復(fù)用等方法(圖2)。這些手段為增加可區(qū)分通道、提高信息容量和設(shè)計特定讀取條件提供了物理基礎(chǔ)。
 

　　文章結(jié)合代表性研究，討論了從高維光學(xué)鎖鑰到關(guān)聯(lián)成像的信息保護(hù)方式。例如，只有匹配的波長與軌道角動量組合才能形成目標(biāo)光斑；通過光子之間的關(guān)聯(lián)測量，也可從背景噪聲中提取隱藏圖像。這些方案展示了利用光場結(jié)構(gòu)控制信息訪問與重建的多樣性。
 

　　同時，綜述指出，高維復(fù)用和較大的光學(xué)密鑰空間應(yīng)被視為編碼資源，安全性仍需在明確的攻擊模型下驗證。實際系統(tǒng)還受到模式串?dāng)_、信道擾動、有限探測精度及校準(zhǔn)漂移等因素制約，需要將信息容量、抗擾動能力與信息泄漏評價相結(jié)合。
 

　　量子光學(xué)安全與后量子密碼協(xié)同構(gòu)建混合網(wǎng)絡(luò)
 

　　光子是量子信息的重要載體。綜述回顧了量子密鑰分發(fā)、量子隨機(jī)數(shù)生成、量子數(shù)字簽名等基本功能，以及相應(yīng)光源、量子信道和探測器的實現(xiàn)方式(圖3a)。量子密鑰分發(fā)可依據(jù)測量結(jié)果估計竊聽者可能獲得的信息，并在協(xié)議規(guī)定的條件下建立共享密鑰，為安全通信提供物理依據(jù)。
 

　　量子協(xié)議的安全保障與具體假設(shè)密切相關(guān)。器件特性偏離模型可能形成側(cè)信道，未認(rèn)證的經(jīng)典信道也可能受到中間人攻擊。因此，評估量子網(wǎng)絡(luò)時，需要同時檢查器件可信條件、信道認(rèn)證、密鑰管理和協(xié)議組合，不能僅以“量子”作為系統(tǒng)安全的充分依據(jù)。
 

　　基于不同技術(shù)的互補(bǔ)性，文章討論將量子密鑰分發(fā)與后量子密碼結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)(圖3b)。后量子數(shù)字簽名與密鑰封裝可提供認(rèn)證及密鑰保護(hù)，量子密鑰也可用于更新對稱加密系統(tǒng)中的密鑰。其整體安全性取決于具體組合方式及各組成部分的安全假設(shè)，為量子技術(shù)與現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施銜接提供了研究方向。
 

　　全息加密與密鑰共享實現(xiàn)多條件信息重建
 

　　全息技術(shù)能夠記錄或調(diào)控光場的振幅和相位，將信息映射到特定波前及讀取條件中。綜述梳理波長、偏振、軌道角動量和入射波前等自由度參與的多維全息加密方法：不同信息可分配到不同通道，隨后通過匹配照明、通道組合或數(shù)字解碼恢復(fù)內(nèi)容(圖4a)。
 

　　光學(xué)密鑰共享進(jìn)一步將目標(biāo)信息分散到多個份額中，只有滿足規(guī)定的組合條件才能重建密鑰；全息視覺密碼則利用不同光學(xué)狀態(tài)與圖像之間的對應(yīng)關(guān)系完成讀取(圖4b)。這類方法為多方協(xié)作訪問和分級信息管理提供了光學(xué)實現(xiàn)思路。面向應(yīng)用，還需評估通道可區(qū)分性、噪聲容限、光學(xué)損耗，以及明文樣本或系統(tǒng)響應(yīng)泄漏對安全性的影響。
 

　　人工智能輔助光學(xué)設(shè)計并改變安全攻防方式
 

　　人工智能正在參與光信息安全系統(tǒng)的器件設(shè)計、編碼、解碼與監(jiān)測。綜述介紹了深度學(xué)習(xí)輔助超表面逆向設(shè)計，通過建立目標(biāo)光學(xué)響應(yīng)與微納結(jié)構(gòu)之間的映射，提高多自由度器件的設(shè)計效率；同時梳理散射介質(zhì)加密、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建與光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等研究(圖5)，展示算法與光學(xué)硬件協(xié)同處理信息的可能性。
 

　　在信息讀取與傳輸環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)算法可用于恢復(fù)畸變波前、識別高維光場、補(bǔ)償信道變化及檢測異常。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則將部分運算嵌入傳播與衍射過程，為緊湊、低時延的信息處理硬件提供思路。上述能力能否在真實環(huán)境下保持穩(wěn)定，需要結(jié)合噪聲、樣本分布變化和硬件誤差進(jìn)行驗證。
 

　　人工智能也可能被攻擊者用于估計光學(xué)變換、提取模型或恢復(fù)隱藏信息。文章因此強(qiáng)調(diào)，應(yīng)將學(xué)習(xí)輔助設(shè)計與對抗性評估同步推進(jìn)，關(guān)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)泄漏、模型提取及對抗擾動等問題，以端到端驗證衡量系統(tǒng)的實際安全能力。
 

　　光信息隱寫將隱藏信息融入器件與通信信道
 

　　光信息隱寫關(guān)注隱藏信息本身的存在。綜述從微納光子結(jié)構(gòu)和光通信兩類平臺出發(fā)，介紹利用照明條件、偏振、光譜及材料響應(yīng)控制隱藏信息讀取的方法。圖6展示了特定成像條件下的信息顯現(xiàn)、形狀記憶材料中的動態(tài)隱藏與恢復(fù)，以及將隱蔽信號與公開信號共同傳輸?shù)姆桨浮?br /> 

　　文章指出，隱寫系統(tǒng)應(yīng)綜合評估隱蔽性、容量與魯棒性。面向未來，低損耗集成光子平臺、量子與經(jīng)典密碼協(xié)同，以及明確的威脅模型和統(tǒng)一測試方法，將是推動各類光信息安全方案走向可靠、實用系統(tǒng)的重要方向。
 

　　引用：北京理工大學(xué)團(tuán)隊在Nature Reviews Physics發(fā)表光信息安全重要綜述【引用時間：2026年10月5日】