信息安全對(duì)于防偽、通信等眾多應(yīng)用至關(guān)重要。近年來，光學(xué)加密因其具備并行、高速和低功耗等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，光的豐富自由度在早期的研究中沒有得到充分利用，信息的安全性有限。光學(xué)加密結(jié)合計(jì)算成像是增強(qiáng)安全性的有效方法，但它需要多次光學(xué)測(cè)量或額外的數(shù)字后處理來恢復(fù)隱藏的圖像。從本質(zhì)上講，基于計(jì)算成像的間接成像方式偏離了全光加密的初衷，導(dǎo)致其原有的全光處理優(yōu)勢(shì)在一定程度上喪失。全光化的信息加密技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)及信息安全領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)，但當(dāng)前技術(shù)的安全性、加密復(fù)雜度以及解密速度之間存在相互制約的關(guān)系。

受成像過程中的光的矢量特性啟發(fā)，中科院光電所矢量光場(chǎng)研究中心的研究人員基于非對(duì)稱光子自旋-軌道相互作用（Opto-Electron. Eng. 44, 319-325 (2017); Adv. Funct. Mater. 27, 1704295 (2017)），結(jié)合空間位錯(cuò)矢量合成方法以及類懸鏈線結(jié)構(gòu)的空間非均勻偏振選擇特性，提出了矢量視覺加密技術(shù)，構(gòu)建了矢量光學(xué)全光密碼系統(tǒng)，能夠同時(shí)兼顧高安全和實(shí)時(shí)解密。

相關(guān)成果以“Meta-optics empowered vector visual cryptography for high security and rapid decryption”為題發(fā)表在期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-023-37510-z）。 近日，廈門大學(xué)洪明輝院士在Opto-Electronic Advances以“All-optical vector visual cryptography with high security and rapid decryption”為題發(fā)表評(píng)述（DOI: 10.29026/oea.2023.230073），認(rèn)為該技術(shù)在全光圖像處理和智能識(shí)別方面的潛力，為構(gòu)建兼顧高安全和實(shí)時(shí)解密的緊湊型信息安全、防偽等系統(tǒng)提供了有效的解決方案。

圖1.矢量光學(xué)全光密碼系統(tǒng)示意圖

該技術(shù)的物理核心是自旋解耦雙軸超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)的按需自旋合成，具體物理過程包括復(fù)振幅光學(xué)密文的自旋分割、單對(duì)雙或雙對(duì)單的空間映射、空間位錯(cuò)復(fù)雜干涉等。如圖1所示，解密系統(tǒng)由自旋解耦雙軸超構(gòu)透鏡（頂部展示了其相位分布）和矢量解偏傳感器（如插圖所示）組成。自旋解耦雙軸超構(gòu)透鏡將編碼的光學(xué)密文分為兩個(gè)具有相反自旋態(tài)的副本，然后將它們投影到像平面，并產(chǎn)生橫向空間錯(cuò)位和重疊（圖1底部）。每個(gè)像素處的偏振旋向和相位分別由圓形箭頭的方向和短導(dǎo)線的方位角表示。作為編碼過程的逆過程，位于像平面上重疊合成的矢量光場(chǎng)經(jīng)匹配的矢量解偏器的幫助下可以再現(xiàn)光學(xué)密文中的隱藏圖像。相反，如果人眼或者在其它普通成像系統(tǒng)下，所觀察到的光學(xué)密文呈透明窗口和馬賽克圖樣，這取決于密文的編碼方式是純相位、純振幅還是復(fù)振幅。

該技術(shù)充分利用了光的波長、振幅、相位、偏振等自由度，使得系統(tǒng)的密鑰非常豐富，從光學(xué)密文中獲取隱藏信息需要焦距、軸距、工作波長及偏振均匹配的雙軸超構(gòu)透鏡，空間分布完全匹配的矢量解偏器，以及密文、超構(gòu)透鏡和矢量解偏之間匹配的相對(duì)空間位置和旋轉(zhuǎn)角。這些豐富的密鑰使得該技術(shù)難以被試錯(cuò)法攻破，與標(biāo)量視覺密碼學(xué)和偏振復(fù)用全息術(shù)相比，顯著提高了安全級(jí)別。

用于矢量視覺加密術(shù)的全光解密超構(gòu)相機(jī)示意圖 值得注意的是，雖然系統(tǒng)所需的密鑰較多，但解密速度很快。整個(gè)解密過程由圖2所示的集成化超構(gòu)相機(jī)通過光學(xué)成像的方式完成，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”，無需多次測(cè)量和額外圖像后處理。因此，相較于雙隨機(jī)相位編碼、全息與計(jì)算成像結(jié)合等光學(xué)加密技術(shù)，該技術(shù)在系統(tǒng)緊湊性、實(shí)時(shí)性、便捷性等方面更具優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清