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隨著全球資料量激增和AI算力需求升級，光纖通訊系統面臨著大容量長距離和安全性傳輸的雙重挑戰。傳統物理層安全技術並未與光通訊技術一體化設計，雖然能夠實現較高的安全性，但傳輸效能會受到限制，難以滿足大容量長距離傳輸的需求。如何在保障物理層安全的同時實現大容量長距離光傳輸，成為亟待突破的關鍵技術瓶頸。
近日，上海交通大學義理林教授團隊提出了基於端到端深度學習的通密一體（Integrated Encryption and Communication， IEAC）框架，在1200公里單模光纖上實現1 Tb/s的高速安全傳輸。該工作發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。
研究團隊提出的IEAC框架透過端到端深度學習技術，將加密過程與通訊系統深度融合。其核心在於利用端到端深度學習的訓練框架，最大化合法使用者互資訊（MI）並最小化竊聽者MI，實現通密一體的目標，原理圖如圖1所示。
圖1. IEAC原理
在實施當中，研究團隊利用動態的星座圖的幾何整形（GCS）來實現上述的通密一體訓練。如圖2a-d所示，通密一體訓練得到多個幾何形狀不同的星座圖，透過高速隨機金鑰，即時調整訊號星座圖（類似“動態密碼本”），使竊聽訊號呈現噪聲化分佈，如圖2e所示。圖2f展示了動態GCS的機率密度分佈，與高斯分佈有著較高的相似程度。
圖2. 基於動態星座圖的加密方案
研究團隊搭建了基於26通道波分複用（WDM）的1200公里單模光纖實驗系統進行驗證，如圖3a所示，傳輸覆蓋了整個C波段（共3.9 THz頻寬），單通道符號速率為125 GBaud，單波速率達1 Tb/s。結果顯示，在1200公里傳輸後，合法使用者誤位元速率（BER）可以低於2×10-2達到FEC門限閾值，而非法使用者BER接近0.5（隨機猜測水平），互資訊（MI）被壓制至0.2位元/符號以下，展示了其較強的安全性。
圖3. 1 Tbps 1200 km通密一體光傳輸系統的實驗驗證
本研究將物理層安全與大容量長距離光傳輸系統結合，實現了通密一體光傳輸。該方案對現有光纖基礎設施相容性強，不僅突破了傳統安全通訊的速率瓶頸，更為未來智慧光網路奠定了理論與技術基礎。同時，通密一體的設計框架為資料中心互聯、6G網路及國家資訊樞紐提供了可擴充套件的安全傳輸方案。
上海交通大學博士後牛澤坤和博士研究生解雲浩為論文的共同第一作者，義理林教授為論文的通訊作者。該方向工作得到國家自然科學基金傑出青年基金專案、科技部重點研發計劃專案、上海交通大學“交大2030”計劃以及上海交通大學-華為先進光技術聯合實驗室的支援。
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