近日，复旦大学未来信息创新学院迟楠教授、张俊文教授团队联合上海理工大学、张江实验室，在超高速光加密与物理层安全通信领域取得重要突破。研究团队针对传统光无线通信物理层安全薄弱的问题，从密码学经典思想“糠与麦（Chaffing & Winnowing）”中获得启发，提出并实验验证了一种基于时空噪声掺混（Spatiotemporal Noise Chaffing）的超高速光学物理层加密系统。

该体系通过在空间上叠加对称的共轭轨道角动量（OAM）模态，在光场中同时加载真实信号（“麦”）与随机噪声（“糠”），使得未经授权的接收者无法直接分辨时域信号，从而在物理层实现“真信号被噪声掩盖”的高安全传输。实验实现了1.25 Tbps的物理层安全光通信速率，并通过多模权重控制与神经网络生成机制将密钥空间扩展至10¹⁰维。相关成果以“Ultrahigh-speed Optical Encryption Enabled by Spatiotemporal Noise Chaffing”为题发表于国际重要期刊 Nature Communications 。

图1 时空噪声掺混方案的概念和性能示意图。(a)时间信息传输的单模OAM加密：时间信号从循环分布的强度模式泄漏，允许窃听者（Eve）和合法接收者（Bob）检索信号。(b)用于时间信息传输的CVW-多模态OAM加密：共轭模组合产生的噪声干扰信号阻止了直接的信号检测，而Bob可以使用正确的密钥对信息进行筛选。(c)CVW-多模态OAM加密需要精确的权值和模式匹配进行解密，增强了安全性，扩展了密钥空间。(d)传统的高速光信息传输面临传输速率和物理层安全性之间的权衡，而本文提出的方法实现了平衡，达到1.25 Tbps的数据速率和1010维的加密密钥空间。

光学加密作为物理层安全的重要手段，因具备并行处理、高速传输和抗电磁干扰等优势，被广泛视为实现安全通信的理想路径。然而，现有光学加密系统普遍依赖空间光调制器（SLM）或数字微镜器件（DMD），受限于刷新速率和响应时间，难以支撑太比特级高速传输。针对这一瓶颈，团队受到“糠与麦”密码学原理启发，创新性地利用光的共轭OAM态在空间与时间双域上实现信号与噪声的混掺编码。系统通过在同轴空间中叠加“信号光（麦粒）”与“噪声光（糠秕）”，实现空间上的完美相干，使得未经授权的窃听者即便捕获全部光场，也因信噪比严重退化而无法恢复时间信号；而合法接收者通过相位反演可精确“筛出”原始信号，实现真正意义上的物理层安全传输。

图2 超高速信息传输的太比特级光加密。(a)无密钥、正确密钥和假密钥三种不同情况下单模态OAM和CVW-多模态OAM加密的星座比较。(b)CVW-多模态OAM中三种不同场景的频谱比较，展示了纯信号和混合信号的去相关。(c)CVW-多模态OAM和CVW-多模态OAM在不同信号波形峰峰电压下的误码率（BER）柱状图，显示了噪声路径引入的最小影响。(d)实验显示，使用PF-BER对不同的CVW -多模态OAM组合进行隔离，表明权重方差增加和模态ED增大会导致更高的BER和虚假信息重建。(e)在8波长复用实验中，给出了40 GBaud 16-QAM信号的ROP和BER，实现了1.25 Tb/s的综合数据速率。(f)得到单模态OAM和CVW-多模态OAM的误码率空间分布，表明单模态OAM可以在不解密的情况下成功重构信息，而CVW-多模态OAM可以有效隐藏信息。

该研究首次在光学物理层面实现了“糠与麦”式的时空混掺加密机制，为高速通信与信息安全融合开辟了新方向。研究成果不仅突破了传统光学加密受限于空间调制带宽的瓶颈，也为6G及卫星光通信提供了可扩展的安全传输方案。未来，该技术有望与片上光子器件与超表面集成，实现纳米级安全通信芯片化，助力我国在高速安全通信领域保持国际领先。

信息学院副研究员施剑阳为论文第一作者，2023级博士生陈超旭为共同第一作者，信息学院迟楠教授、张俊文教授以及上海理工大学顾敏院士、方心远研究员为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技重大专项、上海前沿科学中心项目以及张江实验室的大力支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65111-5