在高安全性信息加密领域，传统加密方法通常依赖于电子计算与静态密钥机制，在面对高强度算力攻击时，存在被破解的隐患。太赫兹（THz）波因其宽带宽与高穿透性等物理特性，被视为实现高容量信息存储与加密的潜在路径之一。然而，传统太赫兹器件的功能在制备后即固定，难以实现动态加密与密钥更新需求。在此背景下，具备灵活波前调控能力的超表面技术展现出应用潜力。
超表面是一种基于亚波长结构单元的二维平面器件。目前大多数超表面仍停留在静态设计阶段，限制了其在动态加密系统中的应用。热调控机制的出现，为超表面实现动态重构提供了一种可逆且稳定的外部调控机制。通过将热致相变材料与超表面结构相结合，可构建具有快速响应能力的智能加密平台，从而推动光学加密技术从静态设计向动态可重构方向演进。
近日，上海科技大学信息科学与技术学院曹文翰课题组提出了一种基于热致相变材料二氧化钒（VO₂）的热可调谐定向Janus超表面：采用双向深度神经网络（Bi-DNN）辅助完成超表面的逆向设计，最终实现了多通道、低串扰、高效率的太赫兹全息成像与信息加密。该成果以“Terahertz holographic image encryption via thermally tunable directional Janus metasurface”为题，发表于材料与智能交叉领域国际期刊《智能材料》(SmartMat）。
图1 基于Bi-DNN的Janus超表面逆向设计流程与多通道全息成像示意图
Janus超表面的设计（图1）先通过联合调控入射方向、频率与温度三个自由度，将不同目标图像分别存储至多个独立通道。随后，使用Bi-DNN对目标电磁响应与超原子结构参数之间进行双向映射，完成多参数超表面的快速、精准逆向设计。该超表面在0.5 THz与1.15 THz双工作频点下实现了八通道全息成像。数值模拟结果表明，超表面的全息成像效率最高可达78%，单元交叉极化透射率超过90%，且通道间串扰极低。研究团队创新性地将太赫兹全息技术与汉字的“可重组”特性相结合，构建了高安全性信息加密系统（图2）。以汉字“国”为例，将其拆解为“三、王、工、玉、二、土、十、口”八个汉字，并分别存储于八个独立通道中。其中，仅有两个通道为有效通道，其余六个均为欺骗通道。攻击者必须准确破译出全部有效通道并完整提取其信息，才能成功获取目标汉字。这种真伪混杂的通道设计提升了加密系统的安全性。
图2 基于Janus超表面实现汉字“国”拆分与组合的八通道全息成像效果图
为进一步提升系统安全性，研究团队提出了基于双Janus超表面与QR码的二次加密方案（图3）。该方案将初级超表面（MS1）所重建的QR码图案作为第一层加密信息，并将其隐藏的相位信息用于设计次级超表面（MS2）。攻击者必须先后破解两个超表面的加密信息，并正确组合所有通道的内容，才能还原出解密汉字“国”。这种双重加密机制显著增强了系统的整体安全性。此外，该加密系统还具备宽带响应特性，在0.3-1.35 THz范围内均能保持稳定性能（图4）。本工作提出的热调控超表面动态加密策略，为解决传统加密技术中的密钥固定、易破解等问题提供了新思路。作为动态可重构太赫兹加密技术的创新探索，该设计在未来高安全性通信、加密及信息存储等领域展现出良好的应用潜力。
图3 基于双Janus超表面与QR码的二次加密方案设计流程
图4 八通道全息加密系统宽带成像特性分析
上海科技大学是该成果的第一完成单位。信息学院2023级博士研究生朱凌云为第一作者，信息学院曹文翰教授为通讯作者。
沪公网安备 31011502006855号