从量子密码到结构光：后量子时代，如何用光守护信息安全

一束光能承载多少秘密，又能为信息安全提供怎样的保护？随着量子计算发展和人工智能参与安全攻防，信息保护正从算法延伸到光源、传输链路与探测器。光的偏振、相位、轨道角动量、波长和时间等自由度，为编码和访问控制提供了丰富资源，也让量子技术与经典光学的协同成为值得关注的方向。

近期，新加坡科技设计大学、北京理工大学、南洋理工大学、澳大利亚蒙纳士大学、北京航空航天大学、法国波尔多大学、新加坡科技研究局量子创新中心、南非维特沃特斯兰德大学等机构组成的研究团队在《Nature Reviews Physics》发表题为“Optical information security”（光信息安全）的综述论文。王洪涛为论文第一作者，王洪涛、Weibo Gao与Joel K.W.Yang为论文通讯作者。

这篇综述围绕一个核心问题展开：如何把光的物理特性，转化为可验证、可部署的信息保护能力？从量子密钥分发到高维结构光，从全息加密到智能光子器件，文章为理解后量子时代的光信息安全提供了一幅系统图景。

研究背景与总体框架

量子计算对现有密码体系的潜在挑战，推动研究人员探索新的安全基础。光子学的吸引力在于，信息既可写入光场的多个自由度，也可借助传播、干涉与衍射完成并行处理。这些操作能够在物理硬件中实现，为高速、低能耗的信息处理提供可能，并覆盖自由空间、光纤与集成芯片等平台。

为了比较不同路线，作者采用CIA+E框架，将安全目标归纳为保密性、完整性、可用性与真实性。换言之，系统既要限制未授权读取，也要防止信息被篡改、保证正常访问，并确认信息或通信方的真实身份。仅让图像变成难以辨识的散斑，还不足以回答这些问题。

在系统层面，综述进一步划分光源、信道、编码与调制、光学处理、探测、协议与系统、应用七个层次。这个分层视角将器件性能与协议要求联系起来：某个光学元件可以增加编码通道，但完整系统仍需处理信道扰动、读取误差和身份认证。安全能力应沿整条信息链路评估。

图1 光信息安全的CIA+E目标与七层框架

量子密码与后量子密码协同

量子光学安全是综述的重要部分。光子能够通过偏振、时间等状态承载量子信息，并借助光纤或自由空间传播。根据协议要求，系统可采用单光子态、高斯态或纠缠态光源，以及雪崩光电探测器、超导纳米线探测器等器件，将量子态制备、传输和测量连接起来。

其中，量子密钥分发（QKD）利用量子态的测量统计，在给定安全假设下评估潜在信息泄漏，并经后处理建立共享密钥。密钥随后可供加密系统使用。量子密码的功能还包括量子随机数生成、量子数字签名和量子秘密共享等，分别面向随机性、消息验证和多方协作等需求。

综述同时强调，量子原理与实际系统之间存在必须检验的接口。多数协议仍需要经过认证的经典信道，以及特性得到充分表征的量子器件。如果经典信道没有可靠认证，攻击者可能冒充通信双方；如果真实器件偏离安全模型，也可能出现额外的信息泄漏。因此，“使用量子技术”不能单独作为整网安全的结论。

在此基础上，作者讨论QKD与后量子密码相结合的网络。后量子密码依靠设计用于抵抗量子攻击的数学算法，可提供数字签名、密钥封装等功能；QKD则提供具有物理安全依据的密钥生成能力。二者协同，有望加强认证与密钥保护，推动量子链路接入现有通信体系。具体保障程度仍取决于组合方式、实现质量及各环节的安全假设。

图2 量子密码的光学实现及其与后量子密码的结合

高维光场拓展信息保护方式

除量子密码外，结构光为信息保护提供了另一组工具。通过设计光场的空间、偏振、频谱和时间分布，研究人员可以建立多个可区分通道，也可以将偏振与轨道角动量组合成矢量光场。多个自由度共同参与编码，使信息读取依赖更具体的输入条件。

论文展示了结合波长与轨道角动量的光学“锁钥”：匹配时出现明亮光斑，不匹配时呈现中心暗斑与光环。图中还展示利用量子关联或非线性光学，从背景中提取隐藏信息的方案。这些例子说明，光场结构能够控制信息的呈现与恢复，但编码维度增加仍需接受明确攻击模型下的安全检验。

全息技术则把信息映射到波前及特定读取条件中。波长、偏振、轨道角动量等可分别承载不同内容，配合照明与解码规则实现选择性重建。光学秘密共享进一步把信息分散到多个份额，只有满足规定组合条件才能恢复，为多方访问与协作管理提供物理实现思路。

光信息隐写关注隐藏信息的存在本身。例如，微纳结构可让内容只在特定成像条件下显现；通信系统则可将隐藏信号与公开信号共同传输。与之相关的光子物理不可克隆函数，利用器件随机结构产生具有个体差异的响应，为身份鉴别和防伪提供资源。这些路线各有用途，仍需结合噪声、环境变化与攻击能力评估。

人工智能也在改变光学安全的实现方式。学习算法可辅助超表面逆向设计、信号重建和信道补偿，提升复杂光学系统的设计与运行效率。与此同时，攻击者也可能借助学习模型估计光学变换或恢复隐藏内容。因而，智能设计应与对抗测试同步推进，持续检验模型在真实硬件与变化环境中的表现。

图3 多维结构光及其在光信息安全中的应用

结论与展望

这篇综述的启示在于，光信息安全正在形成从物理载体到系统协议的协同研究路径。量子密码为密钥与随机性等功能提供支持，结构光和全息技术扩展编码与读取方式，集成光子学与人工智能则为器件小型化、运行效率和自适应控制创造条件。不同技术的优势，有望在明确的系统设计中相互补充。

面向实用化，未来研究需要将高维容量与低串扰传输相结合，将精密光学控制与环境稳定性相结合，并通过统一测试方法验证安全边界。低损耗集成平台、可重复制造的微纳器件，以及量子与经典密码的合理组合，都值得持续推进。让原型在真实链路中稳定工作，将为规模应用积累更扎实的依据。

https://www.nature.com/articles/s42254-026-00980-3