昆明理工大學楊正文團隊《Advanced Materials》最新研究進展！

隨著我國科技實力的不斷提升，越來越多的高附加值產品和核心技術進入國際市場。然而，技術出口帶來的不僅是經濟增長，也伴隨著核心技術被竊取的風險。如何在海外保護這些無形資產，避免技術泄露和逆向工程，已成為必須重視的問題。以去年中資非洲油田的數十億元采油設備被扣押，在這一危急時刻，我國通過遠程操控，實現了系統從軟件到實體設施的全面鎖死，有效保護了國有資產的安全。又例如某些國家對我國戰機導彈技術的窺探等事件凸顯了如何確保海外資產在無本土監管情況下的安全保護。因此，加強技術保護、延長本輪科技創新紅利的周期，是亟需解決的關鍵問題。

與此同時，量子計算機的快速發展也對現有的加密技術構成威脅，尤其是對基于大質數分解的加密算法。一旦量子計算突破，當前依賴于RSA的保護措施可能會全部失效，導致敏感數據面臨前所未有的風險。因此，迫切需要開發更為先進的加密技術，以確保未來在信息保護方面的安全性。

在這一背景下，昆明理工大學的楊正文教授研究團隊與南京大學徐挺教授團隊及合作者們在《Advanced Materials》期刊上發表了一項突破性的成果，提出了一種全新的自加密光學存儲技術，結合了時空自加密和級聯哈希算法，為高價值信息和設備的保護提供了新的解決方案。項技術利用多色光致變色材料的光刻片上集成，結合光學加密原理，不僅實現了內嵌式的互鎖-級聯區塊鏈式“硬件級”加密，也為未來的片上光學加密技術提供了可行的方向。通訊作者：楊正文，徐贊（昆明理工大學）；徐挺（南京大學）；周濟院士（清華大學）；廖佳燕（悉尼科技大學）.共同第一作者：徐贊（昆明理工大學），劉明澤（南京大學）。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202506247

創新的光致變色材料：PbMoO4微晶

在該項研究中，團隊開發了一種新型光致變色材料——PbMoO4微晶（PMO），并成功實現了多色光致變色現象。與傳統材料不同，PMO不僅具備在多個光波長下的顏色變化能力，還能夠通過不同的光源波長調節其顏色狀態，展現出顯著的易失性和非易失性光致變色特性。通過合理的摻雜和合成，這些微晶材料展現了在405 nm、473 nm和808 nm等不同波長下的光致變色現象，且能夠自如地在多個著色態之間可逆切換。

圖 1. PbMoO? （ PMO ）： Yb3? ， Er3? 多色光致變色及其應用平臺的示意圖。

自加密光學存儲技術：信息的“時空鎖定”

PMO的多色光致變色特性，不僅使得其在不同波長光源下的顏色狀態變化互不干擾，還能為信息存儲提供獨特的安全性。研究團隊利用這一特性提出了時空自加密光學信息存儲方案。在該方案中，不同的光致變色通道（灰色和粉色通道）分別用于存儲不同需求的加密信息（不可公開的私鑰/可公開的公鑰+明文），每個信息塊只能在特定的時間窗口內解密，超出時間限制后，信息將自動意義上的“蒸發”。該設計需要定時授權，而時間窗口則保證以目前超級計算機的算力無法破解。

通過實驗數據，研究團隊驗證了PMO在光照下的反應速度和自加密能力。研究表明，灰色通道具有良好的可逆性和自褪色能力，而粉色通道則表現出了超高的穩定性和長達1500天的耐久性，為數據安全存儲提供了堅實的基礎。

圖2. 多色光致變色和上轉換發光調制。

光學集成與器件化：片上光刻陣列硬件

通過光刻技術，研究團隊還將PMO微晶材料集成到光學芯片上，開發了集成光學陣列。這些陣列不僅能夠實現多種加密模式，還能通過硬件級別的加密保障信息的安全存儲。與傳統的軟件加密系統不同，這一技術通過在光學材料中直接實現加密，不僅提高了安全性，還能有效防止信息被破解和篡改。

圖 5. 集成在芯片上的PMO 陣列的制備及寫入/讀取。

級聯哈希加密：光學非對稱密碼學

與傳統的加密算法不同，研究團隊設計了一種新的級聯哈希加密機制，靈感來源于區塊鏈技術。在該加密方式下，存儲在PMO材料中的信息塊在解密時需要按照一定的順序逐步解鎖，前一個信息塊的解密必須完成后才能進行下一個塊的解密。這一特性有效地增加了信息的安全性，尤其適用于保護高價值設備和知識產權中的敏感數據。另外研究團隊還針對不同密級的區分進行了進一步開發，在RSA-256加密模型的基礎上更進一步開發了更高密級的混合格子哈希加密，該方法被普遍視為進一步對抗量子計算機破解的數學模型。

圖 6. 基于 PMO 集成陣列的互鎖級聯哈希。

結語：

這一創新性工作不僅為抗破解和防克隆技術的發展提供了新思路，也為高價值資產的安全存儲提供了更為可靠的解決方案。隨著量子計算等新興技術的崛起，PMO材料的自加密特性及其在集成光學陣列中的應用，可能會成為未來信息安全領域的重要基礎。

共同第一作者介紹：

徐贊博士和劉明澤博士為該工作的共同第一作者。徐贊，浙江寧波人，昆明理工大學博士，主要從事有源光學器件材料、第一性原理計算方面研究。劉明澤，山東淄博人，南京大學博士（后），主要從事微納光學以及光學超表面領域研究。

圖：徐贊博士（右）和劉明澤博士（左），攝于南京。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持