编辑推荐：
信息安全与共享在全光系统中难以平衡。研究人员提出基于超表面的衍射神经网络（DNNs），集成相位调控、偏振转换等功能，实现偏振可控的单向 / 双向切换，构建高安全数据交换框架，为通信、加密等领域提供新方向。
在信息爆炸的时代，全光系统因兼具宽带特性与高效处理能力，成为信息领域的研究热点。然而，信息安全与信息共享这对天然矛盾的需求，如同鱼与熊掌般难以兼得 —— 前者旨在防止未授权访问、守护数据机密性，后者则聚焦信息传播与资源优化配置，二者在计算系统中常呈现对立状态。传统光学技术在实现单向传输与双向共享的灵活切换方面存在瓶颈，例如三维打印衍射面难以同时兼顾偏振选择性与模式切换功能，限制了其在高安全通信场景的应用。
为突破这一困境，上海理工大学太赫兹技术创新研究院联合西安应用光学研究所、宁波东方理工大学等机构的研究团队，开展了基于超表面（Metasurfaces）的衍射神经网络（Diffractive Neural Networks, DNNs）研究。相关成果发表于《Nature Communications》，为全光信息处理领域提供了兼顾安全与共享的创新方案。
关键技术方法
研究主要采用以下技术手段：
- 超表面设计：构建由四分之一波片（QWP）、半波片（HWP）与金属光栅级联的超表面结构，通过调控微纳单元的几何形状与取向，实现对太赫兹（THz）波的偏振态与相位的独立操控。
- 神经网络优化：基于 TensorFlow 框架训练单层 DNN，以均方误差（MSE）为损失函数，通过随机梯度下降算法优化超表面单元的相位延迟，实现对手写数字（MNIST 数据集）与字母的分类与成像任务。
- 太赫兹近场扫描：利用太赫兹时域光谱显微系统（NSTDSM）测量超表面衍射场分布，验证单向 / 双向传输特性及分类成像精度。
研究结果
1. 偏振选择性单向 / 双向分类器与成像器
通过级联 QWP 阵列与金属光栅，设计出偏振可控的 DNN。当入射光为 x 或 y 偏振时，系统仅允许前向或后向的单向传输，实现数字 “2”“3”“6”“7” 的单向分类，识别准确率达 90%；而 45° 线偏振光入射时，系统支持双向传输，同一数字在正反方向均能被正确识别。成像实验表明，x 偏振前向入射可清晰重构输入字母图像，反向入射则无信号，验证了单向成像功能；y 偏振入射时，正反方向均能成像，实现双向共享。
2. 单向 - 双向 - 单向切换功能拓展
引入 HWP 阵列与金属光栅级联的超表面，实现更复杂的传输模式切换。x 偏振前向入射时，HWP 将其转换为 y 偏振光透过光栅，反向入射则被完全反射，形成前向单向传输；y 偏振入射时，后向传输开启，前向被阻断；45° 线偏振光支持双向传输。该模式下，字母 “C”“O”“S”“V” 的分类准确率提升至 92.5%，并实现偏振可控的三模式切换成像。
3. 高安全数据交换框架
基于偏振 - 方向 - 位置三重密钥设计信息传输系统。发送方将数据编码为偏振态序列（如 0°、45°、90° 线偏振），接收方需匹配传输方向（前向 / 后向）、偏振态与检测位置（如输出平面四角）才能正确解码。实验中，不同密钥持有者（如 “Alice” 与 “Bob”）对同一输入序列可解析出部分共享数据与专属机密数据，验证了安全与共享的协同性。
结论与意义
本研究通过超表面与 DNNs 的深度融合，首次实现了偏振选择性的单向 / 双向功能切换，突破了传统光学系统在安全与共享间的固有矛盾。级联超表面的设计不仅为全光信息处理提供了多自由度调控手段（如偏振、相位、传播方向），其太赫兹频段的验证亦为红外与可见光频段的扩展应用奠定了理论与技术基础。所提出的高安全数据交换框架，通过多重密钥机制显著提升了信息传输的抗截获能力，在保密通信、量子加密、智能光网络等领域具有广阔应用前景。该工作为下一代多功能光子器件的研发开辟了新路径，有望推动光学人工智能与信息安全技术的交叉创新。
