林达奎老师等撰写的全息加密存储特邀综述论文发表
大数据时代下的海量数据存储和数据安全是关乎社会发展、国家安全的重要研究领域。全息加密光存储利用光的振幅、相位、偏振、波长等多维可调特性而具有海量的密钥空间；全息加密光存储是在物理层面对信息加密，与全息图在材料中的分布状态（密文）相关，而其状态又无法直接探测，即无法直接获得其密文信息。全息加密光存储的海量密钥空间与在记录介质中存储状态复杂保障了数据的存储安全。我们基于有望用于海量数据存储的下一代大数据存储方案-光全息存储，综述了振幅、相位、偏振等几类全息加密光存储技术的基本原理及发展现状，并对全息加密光存储未来的发展与挑战做出展望。 如图1所示为最常见的信号光加密原理图，加密过程用密钥Key（振幅、相位、偏振等）对信号光调制形成密文，该密文与参考光在感光材料中记录形成全息图；解密过程需用参考光对全息图再现出密文信息，该密文再与解密密钥作用进行数据再现，正确的解密密钥将得到原始数据，错误的解密密钥将得到统计无关的白噪声。此过程信号光的调制参数即为密钥，参考光直接再现图为密文，信号光为明文。同样的，也可对参考光进行振幅、相位等调制，实现信息加密存储。 |
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| 图1 全息加密光存储原理图：（a）加密过程；（b）解密过程 | |
如图2所示，通过不同图案的振幅参考光记录不同的数据页，各个参考光和信号光小块在记录介质中干涉形成微全息图，每个微全息图的在介质中的空间位置是错开的。当正确振幅参考光再现时能对相应的微全息图衍射，再现出数据页；当错误的随机振幅参考光上载时可当作是多个密钥的其中一部分叠加结果，其再现结果将是多个数据页的叠加；当振幅参考光所有像素点都亮时，再现信息则是所有数据页的叠加结果。所以，错误的振幅参考光再现出的各个数据页将成为彼此的噪声互相干扰而无法分辨，从而实现加密效果。 |
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| 图2 振幅加密全息存储 | |
相位调制由于其光的利用率高、实现方便等特点在全息加密光存储中研究最为广泛。基于双随机相位编码（DRPE）的典型加密存储系统如图3所示，在离轴全息存储系统的信息光路设置4f系统，在物面与傅里叶面分别放置两个统计无关的随机相位板，用物面位置的SLM生成待加密图像且与该位置的随机相位掩模M1作用，经相位调制后穿过透镜L1在傅里叶面与该位置的随机相位掩模M2作用进行二次相位调制，然后在经过L2在4f的像面上形成加密后的随机白噪声，并与参考光干涉记录存储在记录介质中，通过改变随机相位掩模实现多幅图像的分别加密；解密时将信息光路关闭，只用平行参考光读取记录介质中的加密图像，并在读取中的傅里叶面放置与记录时使用的掩模复共轭的掩模，若加密的图像为振幅图像则可直接在像面位置的探测器得到解密后的图像。 |
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| 图3 双随机相位编码加密全息存储 | |
光的偏振态可用琼斯向量描述，偏振光具有取向角和椭偏度两个可调参数，这两个参数由两个正交偏振基矢的幅值和相位差决定，因此利用偏振进行加密具有更大的密钥空间。如图4所示，可利用正交的圆偏光编码二维数据页，编码后的正交偏振信息光用随机偏振掩模调制。该偏振掩模中的每一个像素可以调制偏振数据页中每个像素的相位延迟量以及主轴旋转角度，可用琼斯矩阵表示该变换掩模。调制后的二维数据光场为偏振态随机的信息光，该信息光再与参考光干涉记录在偏振响应的全息记录材料上。再现时，用一个共轭参考光照射全息图，便可再现出偏振密文光场，让该光场经过逆变换偏振掩模便可抵消原来加密过程的偏振掩模的相位延迟与主轴旋转的调制，从而解密出原来的正交偏振态。 |
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| 图4 偏振加密全息存储 | |
随机相位加密系统因其巨大的相位分布密钥空间而具有极高的安全性。利用随机相位掩模的几何姿态这一维度可进一步增加其密钥空间。如图5所示为典型的几个调制空间姿态维度加密存储的示意图。其中以参考光姿态调整为例，让参考光通过随机相位掩模M2调制，利用参考光入射角度、M2在X,Y,Z三个轴向上的平移量和绕轴的旋转量作为附加的加密维度。 |
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图5 姿态调制全息加密光存储 |
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我们在本综述中聚焦于全息光存储领域，论述了振幅、相位和偏振等作为调制变量的全息加密光存储的基本原理、常见的全息加密光存储技术及其性能影响因素；梳理了大量密钥的管理方法；最后总结各技术特点并对全息加密光存储未来发展做出展望。本工作将为从事全息加密光存储相关领域的同行提供系统的参考，促进行业交流与发展。 上述研究成果以“多维调制的全息加密光存储”为题整理发表在中国科学院上海光机所和中国光学学会主办的中文期刊杂志《中国激光》（Chinese Journal of Lasers），Vol.50，No.18, 1813009（2023）上。 论文的相关链接：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJda04de37e9646c16/Abstract |
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(2023.08.10)
