基于石墨烯调控层状超结构的PSHE编码加密理论研究：WOA优化与图像信息安全传输

研究人员针对光子信息处理中传输保密性和灵活性不足的问题，提出了一种基于石墨烯超结构增强光子自旋霍尔效应（PSHE）的创新方法。通过鲸鱼优化算法（WOA）调控PSHE位移，实现了三比特二进制编码，并结合数据选择器完成多通道图像加密与动态切换。该研究首次将光学编码与中规模集成电路结合，为信息加密提供了新思路，显著提升了保密性、灵活性和安全性。

　　

在信息爆炸的时代，数据安全传输面临严峻挑战。传统加密技术主要依赖电信号，存在易被破解和灵活性不足的缺陷。光子自旋霍尔效应（PSHE）作为一种基于光子自旋-轨道相互作用的光学现象，能够通过光子轨迹的微小偏移实现信息编码，为光学加密提供了新可能。然而，如何精确调控PSHE位移并实现高效加密仍是未解难题。

为解决这一问题，国内研究人员在《Materials》上发表了一项突破性研究。他们设计了一种由石墨烯、硅和玻璃气凝胶组成的层状超结构（OLM），通过调节石墨烯的化学势（μ_c
）和温度，实现了对PSHE位移的精确控制。研究创新性地采用鲸鱼优化算法（WOA）对参数进行全局优化，在7.186 THz频率下建立了三比特编码体系：位移类型（横向δ_H
为1，纵向δ_V
为0）、位移幅度（>13λ为1，<13λ为0）和最大位移角度范围（45-90°为1，0-45°为0）。

关键技术包括：1）基于Kubo公式的石墨烯电导率计算；2）传输矩阵法分析OLM中TE/TM波的反射特性；3）WOA算法优化化学势参数；4）结合74151芯片原理设计光学Iso-74151数据选择器。

研究结果显示：

1. 物理模型验证：在μ_c
   =0.15 eV时，OLM结构在22.22°和73°分别产生7.67λ的δ_V
   和8.84λ的δ_{H>位移（图3）。}
2. 编码实现：通过WOA获得9种状态控制参数，如编码"000"对应μ_c
   =0.2 eV时37.59°的6.85λ δ_V
   位移（图5）。
3. 三维调控规律：δ_H
   在0-60°范围内随μ_c
   增大而角度减小，δ_V
   在75°处对角度变化不敏感（图6）。
4. 图像加密应用：将编码输入光学Iso-74151芯片，通过EN端温度控制实现8幅图像的动态切换（图7）。

该研究的核心突破在于：

1. 学科交叉创新：首次将PSHE与集成电路结合，创建光学Iso-74151芯片，相比传统光学芯片支持动态编码和多通道切换（表4）。
2. 加密机制升级：通过石墨烯化学势的实时调控实现密钥空间动态变化，加密速度提升30%以上。
3. 兼容性扩展：支持7.186 THz宽带工作，兼容TE/TM波，为太赫兹通信提供新方案。

讨论部分指出，该方法仍存在实验验证缺失的局限，未来可通过微纳加工技术制备原型器件。这项研究为光学-电子融合加密系统开辟了新途径，尤其在军事通信、医疗影像保密传输等领域具有应用前景。正如作者Na Pei在结论中强调的："这种跨物理机制的信息加密框架，可能重新定义未来信息安全的技术边界。"