近日，复旦大学迟楠教授团队携手上海理工大学顾敏院士团队在光学物理层安全通信领域取得关键性突破。他们提出了一种全新的“时空噪声掺混（Spatiotemporal Noise Chaffing）”光学加密机制，实现了目前已知光学加密体系中最高的物理层加密速率——1.25 Tb/s（太比特每秒），同时将加密密钥空间扩展至10¹⁰维规模。这一成果不仅打破了传统光学加密受限于空间调制速度的技术瓶颈，也开启了高安全、高速率光通信融合的新方向。相关研究以“Ultrahigh-speed Optical Encryption Enabled by Spatiotemporal Noise Chaffing”为题发表于国际权威期刊《Nature Communications》，施剑阳副研究员与博士生陈超旭为共同第一作者，顾敏院士、迟楠教授、方心远研究员和张俊文教授担任论文的通讯作者。
光学加密作为物理层安全的重要分支，凭借并行处理能力、高速传输潜力以及对电磁干扰的天然免疫性，被视为下一代安全通信系统的重要基础。然而现有光学加密体系普遍依赖SLM、DMD等空间调制器，而这些器件的响应速度与刷新率存在先天瓶颈，使其难以承载太比特级高速时间信号的实时加密与传输。同时，传统依托OAM等空间结构的加密方法虽能在空间域扰动光场，但对于未经授权的接收者而言，空间上的高信噪比区域仍可能泄露时间域信息，造成物理层加密与高速通信之间长期无法兼得的结构性矛盾。
为了突破这些瓶颈，本研究团队从经典密码学“糠与麦（Chaffing & Winnowing）”理念中得到启发，将真实时间信号视作“麦粒”，将随机噪声视作“糠秕”，思考是否可以在光物理层复刻这一“真信号被噪声包裹”的高安全结构。通过利用共轭轨道角动量（OAM）模态的空间对称性，他们在时域与空域之间建立了新的加密通道，使时间域的高速信息得以被空间域的噪声充分掺混，从而有效隐藏高速星座图。这一思想的提出，为打破传统系统在“高速度”与“高安全”之间的长期权衡提供了关键契机。
图1 时空噪声掺混方案的概念和性能示意图。(a)时间信息传输的单模OAM加密：时间信号从循环分布的强度模式泄漏，允许窃听者（Eve）和合法接收者（Bob）检索信号。(b)用于时间信息传输的CVW-多模态OAM加密：共轭模组合产生的噪声干扰信号阻止了直接的信号检测，而Bob可以使用正确的密钥对信息进行筛选。(c)CVW-多模态OAM加密需要精确的权值和模式匹配进行解密，增强了安全性，扩展了密钥空间。(d)传统的高速光信息传输面临传输速率和物理层安全性之间的权衡，而本文提出的方法实现了平衡，达到1.25 Tbps的数据速率和1010维的加密密钥空间。
在此次研究中，团队首先构建了“时空噪声掺混”光学加密体系。他们将真实时间信号加载在某一OAM模态上，同时将随机噪声加载在与之空间对称的共轭OAM模态上，并让两束光同轴耦合传播。由于共轭模态在空间上具有完美的相干叠加特性，未经授权者在探测光场时必须对整个空间分布进行积分，从而在时间域无法分辨真实星座图，即便其能够观测到高光强区域，也只能得到完全退化和散乱的调制点簇。而合法接收者凭借正确的OAM反演密钥，则可将信号重新聚焦到基模中心位置，成功恢复出清晰的调制格式。
图2 噪声干扰CVW-多模态OAM加密系统的机理。(a)在矢量空间中使用单模OAM进行加密和解密。(b)使用共轭单模OAM进行加密和解密。(c)CVW-多模态OAM与正确的解密。(d)带有虚假解密的CVW-多模态OAM。
为突破单模OAM结构可辨识度高、密钥空间有限的天然缺陷，研究团队进一步提出“CVW-多模态OAM（Conjugated Variable-Weight Multimodal OAM）”加密体系。他们以多个不同阶数的OAM模态为基础，通过为各模态分配不同的权重系数，使模式组合从离散扩展为连续的高维向量空间，使密钥空间呈指数增长。在理论推导中，密钥空间的规模随最大模态阶数L、选取的模态数M及权重精度δ呈非线性扩张，实验选择L=20、M=10、δ=0.1时，密钥空间已超过10¹⁰，大幅提升了系统对暴力破解的抵抗力。
为了实现如此复杂的多模态OAM结构，团队构建了一套多模生成神经网络（MGNN），通过端到端训练直接生成单幅高精度全息图。该网络能够自动补偿多模叠加过程中的干涉误差和强度不均匀性，使多模OAM的生成精度提升四个数量级，从3.25×10⁻⁵降至1.76×10⁻⁹（图3f）。MGNN的成功应用不仅使多模态OAM真正具备工程可实现性，也为大密钥空间条件下的稳定加密提供了关键技术支撑。
图3 指数扩展的密钥空间和高精度全息图的设计。(a)定义CVW-多模态OAM关键空间的参数：系统支持的OAM模式的最大阶数(L)，CVW-多模态OAM选择的模式数(M)，权值精度（δ）。(b)不同权值精度下的键空间大小（δ=0.5, δ=0.25, δ=0.125, δ=0.1）。(c)1000个随机采样的平均串扰值和信噪比，显示了在L=20的固定条件下，不同M增加δ的效果。(d)用于CVW-多模态OAM单全息广播的多模态OAM生成神经网络原理图。(e)CVW-多模态OAM单全息图生成概念及直接模态重叠与MGNN仿真与实验结果比较。(f)直接重叠、模式搜索优化和MGNN三种不同方法生成CVW-多模态OAM全息图的误差比较。
最终，在8波长WDM复用的高速相干通信链路中，团队通过加载CVW-多模态OAM结构，成功实现了总速率1.25 Tb/s的超高速安全光通信（图4e）。在正确密钥下，各波长信道均保持低误码率，而在无密钥或错误密钥情况下，所有星座图均呈随机化状态，证明了体系在高速传输、强安全性与高鲁棒性方面的全面优势。
图4 超高速信息传输的太比特级光加密。(a)无密钥、正确密钥和假密钥三种不同情况下单模态OAM和CVW-多模态OAM加密的星座比较。(b)CVW-多模态OAM中三种不同场景的频谱比较，展示了纯信号和混合信号的去相关。(c)CVW-多模态OAM和CVW-多模态OAM在不同信号波形峰峰电压下的误码率（BER）柱状图，显示了噪声路径引入的最小影响。(d)实验显示，使用PF-BER对不同的CVW -多模态OAM组合进行隔离，表明权重方差增加和模态ED增大会导致更高的BER和虚假信息重建。(e)在8波长复用实验中，给出了40 GBaud 16-QAM信号的ROP和BER，实现了1.25 Tb/s的综合数据速率。(f)得到单模态OAM和CVW-多模态OAM的误码率空间分布，表明单模态OAM可以在不解密的情况下成功重构信息，而CVW-多模态OAM可以有效隐藏信息。
本研究首次在光学物理层实现了真正意义上的“糠与麦”式时空混掺加密机制，在不牺牲通信速率的情况下实现了高速信息的深度隐藏，打破了光学加密长期受限于空间调制速度与结构可预测性的瓶颈。通过共轭OAM模态的时空协同编码、CVW-多模态权重调控、MGNN全息优化等多项技术的综合应用，研究体系在物理层实现了速率与安全性的同步提升，构建起具有高维密钥空间、高隔离度以及强鲁棒性的全新加密框架。
未来，团队指出该体系有望与超表面、片上光子芯片等新型光学平台深度融合，实现纳米级的高安全光学加密模块；同时，可进一步与传统数字层加密技术协同构成多层级防护体系，为6G通信网络、卫星互联网、量子安全通信以及数据中心高速互连等场景提供高吞吐量与高安全的物理层解决方案。该成果为我国在高速光通信安全方向继续保持国际领先奠定了重要基础，也为未来光学安全通信技术的发展提供了新的范式。
撰稿|课题组
