“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
近日，中国科学院上海技术物理研究所李冠海、陈效双、陆卫研究员团队在Advanced Materials上发表了题为“Continuous-Spectrum–Polarization Recombinant Optical Encryption with a Dielectric Metasurface”的文章。
2023 | 前沿进展
02 研究背景
随着信息网络时代的发展，信息安全的重要性在各行各业乃至人们的日常生活中日益凸显。继而衍生出丰富的信息加密解码方式，其中光学信息加密策略具有天然的高速并行的优势能够对大容量信息数据进行快速低耗处理，并且光子具有多个自由度，譬如振幅、相位、波长、偏振、轨道角动量等作为信息的载体，因此利用光子进行信息加密的研究受到了广泛的关注，有望在民用信息安全通信、航天空间遥感、量子信息对抗等应用上发挥不可替代的作用。
超表面的出现为在亚波长微纳尺度下灵活操控光子的多个自由度提供了一个很好的平台。随着超表面对光子全自由度的探索研究，信息加密的通道容量也迅速接近极限。而仅仅利用单一光子自由度进行加密的策略容易被算法遍历等手段暴力破解，安全性在物理设计层面受到了限制。为此，国内外多个研究团队开始对多个自由度进行联合操控并在时空域上进行信息编码和解码展开研究，并为提高信息的容量和安全性提供了有效的解决方案。但在信息容量、安全性以及重复编码利用性三个光学信息加密的重要指标上，仍存在巨大的提升空间。
另一方面，作为大气窗口之一的中红外(MWIR)波段是很多气体分子和室温物体热辐射的吸收谱富集区。高透过率和大的工作带宽在天地信息通信、密钥分发等研究应用领域展现了巨大的潜力。该工作则着眼于急具战略地位的中红外波段利用便于集成的超表面为大容量、高安全性以及可重复编码的光学信息加密提供助力。
03 研究创新点
该研究团队提出了一种连续光谱和偏振重构的超表面设计策略。通过在琼斯矩阵中引入色散调控，对传统最多可实现8通道独立复用的超表面设计方案，在波长维度进行连续扩展。如图1所示，通过利用超原子单元在不同波长的双折射相位延迟来对连续的共轭偏振通道进行解耦。对于连续的共轭通道，超原子的双折射相位延迟不在为固定值，这与传统几何相位调控方案具有本质的区别。而要对连续的偏振通道进行调控，传统方案只能依靠离散化求最优解的方法，该方法只对有限通道适用并且对单元几何参数的优化随通道个数的增加而呈指数增长。为解决这个问题，该研究团队提出了一种前向共轭偏振演化的策略，可以快速建立色散琼斯矩阵调控需求与超原子光谱响应的对应关系，并成功推演出连续偏振调控规律，将偏振调控在波长维度进行任意重构，极大的提高了光学加密所能承载的信息容量。
图1 连续共轭偏振在波长维度进行解耦示意图。（a） 光学信息加密传输演示。Bob可以通过设计的超表面器件对Alice发送的连续偏振与波长捆绑信息进行解码。（b）在波长维度对连续共轭偏振通道进行解耦的理论示意图
该研究团队制备了一个重构超表面器件对“上海”的经纬坐标进行光学加密和解码演示，如图2所示。实验选取了一个中红外宽带光谱3-4 μm 和庞加莱球上一个连续的偏振路径X偏振到Y偏振进行捆绑重构。接受者Bob利用超表面器件对捆绑波长下的共轭偏振进行检测，并按照事先约定的解码策略可以安全的解译出发送者Alice加密在连续光谱和偏振中的信息。由于该策略由明文和暗文组成极大提高了信息的安全性。虽然文中演示了10个连续通道的加密方案，但信息加载的通道理论上不受限制。并且信息传输的方式为主动式的，一次加工可以进行多次不同的信息加密和解码。该研究有望应用于多通道大信息容量的光学加密通信以及量子科学领域。
图2 利用连续光谱-偏振重构超表面对光学信息进行加密解码演示示意图。（a） 由连续偏振和波长组成的密码表。（b）用超表面器件对上海的经纬坐标进行解码演示。（c）共轭通道检测结果
04 总结与展望
王九旭博士、郁菲茏博士和陈金博士作为本文的共同第一作者，李冠海研究员为本文的通讯作者。国科大杭州高等研究院、上海量子科学研究中心、中国科学技术大学等也为本工作提供了协助。本工作也得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、中科院等项目的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304161?af=R
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编辑 | 韩峰
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