在高安全性信息加密領(lǐng)域，傳統(tǒng)加密方法通常依賴(lài)于電子計(jì)算與靜態(tài)密鑰機(jī)制，在面對(duì)高強(qiáng)度算力攻擊時(shí)，存在被破解的隱患。太赫茲（THz）波因其寬帶寬與高穿透性等物理特性，被視為實(shí)現(xiàn)高容量信息存儲(chǔ)與加密的潛在路徑之一。然而，傳統(tǒng)太赫茲器件的功能在制備后即固定，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加密與密鑰更新需求。在此背景下，具備靈活波前調(diào)控能力的超表面技術(shù)展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

超表面是一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元的二維平面器件。目前大多數(shù)超表面仍停留在靜態(tài)設(shè)計(jì)階段，限制了其在動(dòng)態(tài)加密系統(tǒng)中的應(yīng)用。熱調(diào)控機(jī)制的出現(xiàn)，為超表面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)提供了一種可逆且穩(wěn)定的外部調(diào)控機(jī)制。通過(guò)將熱致相變材料與超表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可構(gòu)建具有快速響應(yīng)能力的智能加密平臺(tái)，從而推動(dòng)光學(xué)加密技術(shù)從靜態(tài)設(shè)計(jì)向動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方向演進(jìn)。

近日，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院曹文翰課題組提出了一種基于熱致相變材料二氧化釩（VO?）的熱可調(diào)諧定向Janus超表面：采用雙向深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Bi-DNN）輔助完成超表面的逆向設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了多通道、低串?dāng)_、高效率的太赫茲全息成像與信息加密。該成果以“Terahertz holographic image encryption via thermally tunable directional Janus metasurface”為題，發(fā)表于材料與智能交叉領(lǐng)域國(guó)際期刊《智能材料》(SmartMat）。

圖1 基于Bi-DNN的Janus超表面逆向設(shè)計(jì)流程與多通道全息成像示意圖

Janus超表面的設(shè)計(jì)（圖1）先通過(guò)聯(lián)合調(diào)控入射方向、頻率與溫度三個(gè)自由度，將不同目標(biāo)圖像分別存儲(chǔ)至多個(gè)獨(dú)立通道。隨后，使用Bi-DNN對(duì)目標(biāo)電磁響應(yīng)與超原子結(jié)構(gòu)參數(shù)之間進(jìn)行雙向映射，完成多參數(shù)超表面的快速、精準(zhǔn)逆向設(shè)計(jì)。該超表面在0.5 THz與1.15 THz雙工作頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)了八通道全息成像。數(shù)值模擬結(jié)果表明，超表面的全息成像效率最高可達(dá)78%，單元交叉極化透射率超過(guò)90%，且通道間串?dāng)_極低。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將太赫茲全息技術(shù)與漢字的“可重組”特性相結(jié)合，構(gòu)建了高安全性信息加密系統(tǒng)（圖2）。以漢字“國(guó)”為例，將其拆解為“三、王、工、玉、二、土、十、口”八個(gè)漢字，并分別存儲(chǔ)于八個(gè)獨(dú)立通道中。其中，僅有兩個(gè)通道為有效通道，其余六個(gè)均為欺騙通道。攻擊者必須準(zhǔn)確破譯出全部有效通道并完整提取其信息，才能成功獲取目標(biāo)漢字。這種真?zhèn)位祀s的通道設(shè)計(jì)提升了加密系統(tǒng)的安全性。

圖2 基于Janus超表面實(shí)現(xiàn)漢字“國(guó)”拆分與組合的八通道全息成像效果圖

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)安全性，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于雙Janus超表面與QR碼的二次加密方案（圖3）。該方案將初級(jí)超表面（MS1）所重建的QR碼圖案作為第一層加密信息，并將其隱藏的相位信息用于設(shè)計(jì)次級(jí)超表面（MS2）。攻擊者必須先后破解兩個(gè)超表面的加密信息，并正確組合所有通道的內(nèi)容，才能還原出解密漢字“國(guó)”。這種雙重加密機(jī)制顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體安全性。此外，該加密系統(tǒng)還具備寬帶響應(yīng)特性，在0.3-1.35 THz范圍內(nèi)均能保持穩(wěn)定性能（圖4）。本工作提出的熱調(diào)控超表面動(dòng)態(tài)加密策略，為解決傳統(tǒng)加密技術(shù)中的密鑰固定、易破解等問(wèn)題提供了新思路。作為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)太赫茲加密技術(shù)的創(chuàng)新探索，該設(shè)計(jì)在未來(lái)高安全性通信、加密及信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。

圖3 基于雙Janus超表面與QR碼的二次加密方案設(shè)計(jì)流程

圖4 八通道全息加密系統(tǒng)寬帶成像特性分析

上?？萍即髮W(xué)是該成果的第一完成單位。信息學(xué)院2023級(jí)博士研究生朱凌云為第一作者，信息學(xué)院曹文翰教授為通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/smm2.70049