图1 用于增强信息安全的超表面赋能光学加密隐写术
1. 导读
如今，信息安全在生活的各个方面都至关重要。为了防止信息被非法访问和窃取，各种信息加密技术应运而生。其中，光学加密能够利用光的不同自由度将信息进行隐藏，为高安全性的信息加密和处理提供了一种高效可靠的方式。特别是，新型光学器件超表面（Metasurface）的出现，凭借其对光场全部自由度的任意调控能力，已成为光学加密领域的新一代通用平台。然而，现有的基于超表面的光学加密方案，存在密钥等级单一的问题，且容易遭受特定光学密钥穷举算法的暴力破解，从而导致加密信息直接泄露，无法充分保证信息的安全性。为此，最近有研究尝试将密码学加密算法引入到超表面光学加密领域，进一步增加信息的安全性。另一方面，由加密算法生成的伪随机密文可能会引起窃密者的警觉，进而触发更深入的审查与破解尝试，仍存在一定的安全隐患。
针对以上问题，近日济南大学高嵩、岳文静团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套超表面赋能的光学加密隐写术设计方案。团队首先提出了一种涉及波长、振幅、偏振响应等多种光参量调控的a-Si:H超表面，其巧妙运用了两个纳米结构在双波长下的偏振-振幅响应差异：在波长一下均作为偏振相关的纳米偏振片，而在波长二下分别表现出偏振无关的高透射和低透射（高反射），并基于此建立了一种3比特二值灰度编码方法，进一步设计超表面阵列实现了三幅二值灰度图像的光学加密。在此基础上，将基于游程编码的隐写算法引入到上述光学加密超表面中，设计算法将秘密信息分散嵌入到三幅超表面光学加密图像中，在不引起窃密者察觉的情况下实现了秘密信息的安全传输。实验结果与理论预期高度吻合，充分证明了所提方案的可行性。
该研究成果为超表面光学加密研究提供了一种新方法和新思路，有望应用于信息安全、光学防伪等领域。
2. 研究背景
超表面是一种由亚波长人工微结构打造的二维平面阵列，通过对其单元结构的精心设计，可以在亚波长尺度下实现对光的偏振、振幅、相位等多种属性的任意灵活调控。近年来，通过操纵不同的光场自由度，超表面已被广泛应用于探索新型的光学加密。然而，当前的超表面光学加密工作，多数存在密钥等级单一的问题，且单纯依靠调控光场自由度的加密方式，容易遭受特定光学密钥穷举算法的暴力破解，从而导致加密的信息被直接泄露，无法充分保证信息的安全性。
最近的研究表明，通过将密码学加密算法融入到超表面光学加密领域，可以将原本易被直接观测的明文信息进一步转化为只能通过特定方式间接观测的伪随机密文信息，从而能够极大程度的降低信息因暴力破解而被直接泄露的风险。尽管这种结合加密算法的光学加密策略提高了信息的安全级别，但是伪随机密文信息的存在可能会引起窃密者的怀疑，导致进一步审查和尝试破解。如何在实现不同密钥等级光学加密的同时，结合不引起旁观者怀疑的加密算法来进一步增强信息的安全性，是当前超表面光学加密领域面临的一项挑战。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从超表面结构对光的波长、偏振和振幅的响应差异出发，并结合侧重于隐藏而非加解密的隐写算法，提出了一种具有不同密钥等级的超表面赋能光学加密隐写术的新方法，旨在实现信息的双重保护。为了实现不同密钥等级的光学加密，研究者利用两个在不同波长（633 nm和750 nm）下具有相同偏振响应和不同振幅响应的纳米结构，用于实现对三幅二值图像不同等级的光学加密。进一步地，利用隐写算法将秘密信息分散地嵌入到上述三幅超表面光学加密图像，使秘密信息得到了光学和算法的双重保护（见图1）。首先，设计的两个纳米结构（PT和PR）在波长633 nm下均具有偏振相关的纳米偏振片功能，它们对x偏振光（XLP）和y偏振光（YLP）的透射率差值分别约为87%和75%；而在波长750 nm下，PT与PR分别实现了与偏振无关的高透射和高反射，PT的偏振透射率均高于94%，而PR均低于2%。研究人员进一步探究了两结构在两个设计波长和特定起偏-检偏条件下的透射率关于结构取向角的分布函数，建立了一种具有不同密钥等级的三通道二值编码方案（见图2）。与以往依赖相同等级解密条件的多通道超表面工作不同，该方案在633 nm波长下的两个通道的光强编码是由入射偏振角、结构取向角以及检偏角所共同决定，而在750 nm波长通道中的光强编码仅由纳米结构几何尺寸决定，与入射偏振和结构取向角无关。数值仿真结果证明了该设计方法的可行性。
图2 所选具有三通道二进制编码能力的纳米结构数值模拟结果
随后，研究人员将基于游程编码的多载体隐写术引入到上述光学加密超表面中，利用算法将秘密信息（显示内容为“META”的二值图像）分散嵌入到上述经光学加密的三幅图像中（图3）。与密码学加密算法主要关注的加解密不同，隐写术侧重于通过图像、文本等多种媒介将秘密信息嵌入到看似无意义的载体中，从而在不引起公众察觉的情况下实现信息的安全传输。因此，经光学加密的载体图像表面所展示的信息将不再是以往加密策略中所展示的真实信息，而是具有一定迷惑作用的虚假信息，非预期接收者不易察觉并从中提取出真实秘密信息，有效避免了因遭受审查带来的信息泄露风险。
图3 在多个光学加密的载体图像中嵌入秘密信息的过程
研究团队通过数值仿真和实验测试对所提加密方案进行了验证（图4）。对于加密等级较高的通道（即波长633 nm），二值图像的解密需要在入射和出射光路上设置多个光学装置（包括滤光片、起偏器、检偏器），而对于加密等级较低的通道（即波长750 nm），只需要利用滤光片等简单装置即可直接观测其中隐藏的图像。团队首先加工了仅包含PT或PR结构的a-Si:H样品，分别进行了可见光波段的偏振透射谱测试，实验结果与仿真结果之间存在一定的光谱偏移，但所设计的光响应功能被成功观测到（波长610 nm和700 nm）。上述波长下，团队在同时包含PT与PR结构的超表面样品中观察到了具有高保真度和低串扰的三幅超表面图像。有趣的是，由于两个纳米结构在可见光波段展现出不同的透射光谱，第三通道的图像在自然白光下也可以通过颜色来区分，由于超表面加密的图像本身就是具有一定迷惑作用的伪信息，仅凭借第三通道的图像也无法实现隐藏秘密信息的解密，因此不会对隐藏信息带来泄露的风险。
图4 光学加密超表面在设定条件下的数值仿真和实验测试结果
团队进一步展示了秘密信息的提取与恢复过程（图5），利用从超表面样品中提取的三幅图像，通过加密算法的逆过程来恢复和提取出分散隐藏的秘密信息，团队在MATLAB中搭建了GUI界面，形象展示了被深度隐藏的“META”二值图像的解密过程。
图5 利用算法对秘密信息的提取与恢复过程
4. 应用与展望
研究团队提出的超表面赋能的光学加密隐写术，是一种将光参量物理空间和信息隐藏算法空间两方面进行有机融合来实现信息安全增强的新方法，为超表面光学加密的研究提供了新的参考和研究思路，有望应用于光学加密、信息存储、光学防伪等领域。
该研究成果以“Metasurface-enabled optical encryption and steganography with enhanced information security”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Wen Xing, Changke Bu, Xiaoyi Zhang, Duk-Yong Choi, Yang Li, Wenjing Yue , Jiaqi Cheng, Zhancheng Li, Shuqi Chen, Song Gao，其中Wenjing Yue副教授和Song Gao教授为共同通讯作者。高嵩教授和岳文静副教授隶属于济南大学信息科学与工程学院和山东省泛在智能计算重点实验室。
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