行業(yè)報(bào)告顯示，到2028年，全球互聯(lián)網(wǎng)流量預(yù)計(jì)將突破3000艾字節(jié)，爆炸式增長的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算能力、傳輸速度和安全性能提出了前所未有的要求。

近日，上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交通大學(xué)蘇翼凱教授團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)遲楠教授團(tuán)隊(duì)，在《自然·通訊》雜志連續(xù)發(fā)表兩項(xiàng)突破性研究成果，實(shí)現(xiàn)太比特每秒（Tbps）加密數(shù)據(jù)傳輸與微米級(jí)智能光子推理芯片，為未來信息基礎(chǔ)設(shè)施打造了“安全盾”與“算力引擎”。

噪聲掩護(hù)下的光速加密：把信號(hào)藏在眾目睽睽之下

傳統(tǒng)光學(xué)加密受限于物理器件的調(diào)制速度，難以匹配超高速信號(hào)傳輸需求。顧敏院士團(tuán)隊(duì)與遲楠教授團(tuán)隊(duì)合作的論文《基于時(shí)空噪聲擾亂的超高速光學(xué)加密》（《Ultrahigh-speed optical encryption enabled by spatiotemporal noise chaffing》）打破了這一瓶頸。復(fù)旦大學(xué)施劍陽副研究員與博士生陳超旭為共同第一作者，上海理工大學(xué)顧敏院士、方心遠(yuǎn)研究員與復(fù)旦大學(xué)遲楠教授、張俊文教授擔(dān)任論文的通訊作者。

該技術(shù)受經(jīng)典密碼學(xué)上“糠與麥（Chaffing & Winnowing）”原理啟發(fā)，將攜帶真實(shí)信號(hào)的軌道角動(dòng)量模式（麥粒）與攜帶噪聲的共軛模式（糠秕）混合后共線發(fā)射，只有掌握正確密鑰的接收方，才能提取出干凈信號(hào)。

時(shí)空噪聲摻雜機(jī)制的光學(xué)加密原理

    “就像在喧鬧的集市中秘密交談，外人只聽到嘈雜聲，而通信雙方卻能清晰交流?！?智能科技學(xué)院方心遠(yuǎn)研究員解釋道。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套高維模式生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將密鑰空間提升至約100億種可能，比現(xiàn)有光學(xué)加密方法高出五個(gè)數(shù)量級(jí)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建8通道波分復(fù)用相干光通訊鏈路，安全傳輸速率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.25 Tbps。

微米尺度的光學(xué)AI：把超算中心微縮到芯片上

同時(shí)，瞄準(zhǔn)光計(jì)算的核心難題——如何在小尺寸上實(shí)現(xiàn)高算力。顧敏院士團(tuán)隊(duì)與蘇翼凱教授團(tuán)隊(duì)開展合作，發(fā)表論文《用于機(jī)器學(xué)習(xí)推理的高計(jì)算密度納米光子介質(zhì)》（《High computational density nanophotonic media for machine learning inference》）。上海交通大學(xué)博士生趙振宇為第一作者，上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)研究員與上海交通大學(xué)郭旭涵教授為通訊作者。

研究團(tuán)隊(duì)采用制造條件約束的逆向設(shè)計(jì)方法，在硅基光子上設(shè)計(jì)出一種由數(shù)千個(gè)納米級(jí)孔洞構(gòu)成的光子芯片。這些孔洞的排列和尺寸通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化，使得光波穿過時(shí)就能直接完成分類、識(shí)別等推理任務(wù)。該芯片僅占64平方微米，相比傳統(tǒng)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)縮小了三個(gè)數(shù)量級(jí)，在鳶尾花數(shù)據(jù)集分類任務(wù)中實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到86.7%，系統(tǒng)光學(xué)輸入功率僅1毫瓦,展現(xiàn)出極高的能效。

制造條件約束的逆向設(shè)計(jì)光子芯片方法

“這項(xiàng)工作在硅平臺(tái)上完整制備并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于納米光子介質(zhì)的機(jī)器學(xué)習(xí)推理芯片，為后續(xù)大規(guī)模光電智能集成奠定了基礎(chǔ)?！狈叫倪h(yuǎn)表示。

上海方案：協(xié)同創(chuàng)新的力量

兩項(xiàng)突破性成果均依托上海市類腦光子芯片前沿科學(xué)研究基地，受到上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。該研究基地由顧敏院士擔(dān)任主任，打破了部屬高校與市屬高校之間的壁壘，整合了上海在光學(xué)設(shè)計(jì)、芯片制備、算法開發(fā)、應(yīng)用驗(yàn)證等環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)資源。

“我們形成了從理論設(shè)計(jì)、芯片制備到系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證的全鏈條能力，”顧敏院士表示，“這種協(xié)同創(chuàng)新模式大大加速了從學(xué)術(shù)思想到技術(shù)原型的轉(zhuǎn)化過程?！?/p>

據(jù)了解，該平臺(tái)已匯聚了來自上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海理工大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)等多所高校的眾多科研骨干，成為上海打造“光學(xué)人工智能技術(shù)”創(chuàng)新策源地的重要支點(diǎn)。

【相關(guān)】

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65111-5

          https://www.nature.com/articles/s41467-025-65213-0