《Nature Communications》：Polarization-selective unidirectional and bidirectional diffractive neural networks for information security and sharing
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信息安全與共享在全光系統中難以平衡。研究人員提出基于超表面的衍射神經網絡（DNNs），集成相位調控、偏振轉換等功能，實現偏振可控的單向 / 雙向切換，構建高安全數據交換框架，為通信、加密等領域提供新方向。
在信息爆炸的時代，全光系統因兼具寬帶特性與高效處理能力，成為信息領域的研究熱點。然而，信息安全與信息共享這對天然矛盾的需求，如同魚與熊掌般難以兼得 —— 前者旨在防止未授權訪問、守護數據機密性，后者則聚焦信息傳播與資源優化配置，二者在計算系統中常呈現對立狀態。傳統光學技術在實現單向傳輸與雙向共享的靈活切換方面存在瓶頸，例如三維打印衍射面難以同時兼顧偏振選擇性與模式切換功能，限制了其在高安全通信場景的應用。
為突破這一困境，上海理工大學太赫茲技術創新研究院聯合西安應用光學研究所、寧波東方理工大學等機構的研究團隊，開展了基于超表面（Metasurfaces）的衍射神經網絡（Diffractive Neural Networks, DNNs）研究。相關成果發表于《Nature Communications》，為全光信息處理領域提供了兼顧安全與共享的創新方案。
關鍵技術方法
研究主要采用以下技術手段：
- 超表面設計：構建由四分之一波片（QWP）、半波片（HWP）與金屬光柵級聯的超表面結構，通過調控微納單元的幾何形狀與取向，實現對太赫茲（THz）波的偏振態與相位的獨立操控。
- 神經網絡優化：基于 TensorFlow 框架訓練單層 DNN，以均方誤差（MSE）為損失函數，通過隨機梯度下降算法優化超表面單元的相位延遲，實現對手寫數字（MNIST 數據集）與字母的分類與成像任務。
- 太赫茲近場掃描：利用太赫茲時域光譜顯微系統（NSTDSM）測量超表面衍射場分布，驗證單向 / 雙向傳輸特性及分類成像精度。
研究結果
1. 偏振選擇性單向 / 雙向分類器與成像器
通過級聯 QWP 陣列與金屬光柵，設計出偏振可控的 DNN。當入射光為 x 或 y 偏振時，系統僅允許前向或后向的單向傳輸，實現數字 “2”“3”“6”“7” 的單向分類，識別準確率達 90%；而 45° 線偏振光入射時，系統支持雙向傳輸，同一數字在正反方向均能被正確識別。成像實驗表明，x 偏振前向入射可清晰重構輸入字母圖像，反向入射則無信號，驗證了單向成像功能；y 偏振入射時，正反方向均能成像，實現雙向共享。
2. 單向 - 雙向 - 單向切換功能拓展
引入 HWP 陣列與金屬光柵級聯的超表面，實現更復雜的傳輸模式切換。x 偏振前向入射時，HWP 將其轉換為 y 偏振光透過光柵，反向入射則被完全反射，形成前向單向傳輸；y 偏振入射時，后向傳輸開啟，前向被阻斷；45° 線偏振光支持雙向傳輸。該模式下，字母 “C”“O”“S”“V” 的分類準確率提升至 92.5%，并實現偏振可控的三模式切換成像。
3. 高安全數據交換框架
基于偏振 - 方向 - 位置三重密鑰設計信息傳輸系統。發送方將數據編碼為偏振態序列（如 0°、45°、90° 線偏振），接收方需匹配傳輸方向（前向 / 后向）、偏振態與檢測位置（如輸出平面四角）才能正確解碼。實驗中，不同密鑰持有者（如 “Alice” 與 “Bob”）對同一輸入序列可解析出部分共享數據與專屬機密數據，驗證了安全與共享的協同性。
結論與意義
本研究通過超表面與 DNNs 的深度融合，首次實現了偏振選擇性的單向 / 雙向功能切換，突破了傳統光學系統在安全與共享間的固有矛盾。級聯超表面的設計不僅為全光信息處理提供了多自由度調控手段（如偏振、相位、傳播方向），其太赫茲頻段的驗證亦為紅外與可見光頻段的擴展應用奠定了理論與技術基礎。所提出的高安全數據交換框架，通過多重密鑰機制顯著提升了信息傳輸的抗截獲能力，在保密通信、量子加密、智能光網絡等領域具有廣闊應用前景。該工作為下一代多功能光子器件的研發開辟了新路徑，有望推動光學人工智能與信息安全技術的交叉創新。
