随着全球数据量激增和AI算力需求升级，光纤通信系统面临着大容量长距离和安全性传输的双重挑战。传统物理层安全技术并未与光通信技术一体化设计，虽然能够实现较高的安全性，但传输性能会受到限制，难以满足大容量长距离传输的需求。如何在保障物理层安全的同时实现大容量长距离光传输，成为亟待突破的关键技术瓶颈。

近日，上海交通大学义理林教授团队提出了基于端到端深度学习的通密一体（Integrated Encryption and Communication， IEAC）框架，在1200公里单模光纤上实现1 Tb/s的高速安全传输。该工作发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

研究团队提出的IEAC框架通过端到端深度学习技术，将加密过程与通信系统深度融合。其核心在于利用端到端深度学习的训练框架，最大化合法用户互信息（MI）并最小化窃听者MI，实现通密一体的目标，原理图如图1所示。

图1. IEAC原理

在实施当中，研究团队利用动态的星座图的几何整形（GCS）来实现上述的通密一体训练。如图2a-d所示，通密一体训练得到多个几何形状不同的星座图，通过高速随机密钥，实时调整信号星座图（类似“动态密码本”），使窃听信号呈现噪声化分布，如图2e所示。图2f展示了动态GCS的概率密度分布，与高斯分布有着较高的相似程度。

图2. 基于动态星座图的加密方案

研究团队搭建了基于26通道波分复用（WDM）的1200公里单模光纤实验系统进行验证，如图3a所示，传输覆盖了整个C波段（共3.9 THz带宽），单通道符号速率为125 GBaud，单波速率达1 Tb/s。结果显示，在1200公里传输后，合法用户误码率（BER）可以低于2×10^-2达到FEC门限阈值，而非法用户BER接近0.5（随机猜测水平），互信息（MI）被压制至0.2比特/符号以下，展示了其较强的安全性。

图3. 1 Tbps 1200 km通密一体光传输系统的实验验证

本研究将物理层安全与大容量长距离光传输系统结合，实现了通密一体光传输。该方案对现有光纤基础设施兼容性强，不仅突破了传统安全通信的速率瓶颈，更为未来智能光网络奠定了理论与技术基础。同时，通密一体的设计框架为数据中心互联、6G网络及国家信息枢纽提供了可扩展的安全传输方案。

上海交通大学博士后牛泽坤和博士研究生解云浩为论文的共同第一作者，义理林教授为论文的通讯作者。该方向工作得到国家自然科学基金杰出青年基金项目、科技部重点研发计划项目、上海交通大学“交大2030”计划以及上海交通大学-华为先进光技术联合实验室的支持。