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本文报道了一种新型低功耗光电神经形态忆阻器，其单次事件能耗仅为3.3 fJ。该研究构建了一种硬件级多维加密新范式，将ASCII字符编码为波长、脉宽、脉冲数定义的独特光脉冲序列，利用器件的非线性响应特性实现物理混淆，并通过卷积神经网络（CNN）进行解密。该系统成功集成了运动感知、储层计算（Reservoir Computing）实时旗语识别与多波段光子加密，为下一代神经形态海上安全通信提供了创新解决方案。
引言
在人工智能（AI）与大数据时代，传统基于冯·诺依曼架构的计算系统面临着“内存墙”与“功耗墙”的严峻挑战。存算分离的特性导致了数据传输过程中的巨大能量浪费。为克服这些限制，基于非易失性忆阻器的存内计算（Computing-in-Memory, CIM）新范式被提出。更进一步，传感器内计算（in-sensor computing）旨在在数据捕获的源头直接进行处理，从而降低传统感知-传输-处理系统的能耗与延迟。光电忆阻器，能够将光信号转换为可编程的突触响应，是此类系统的理想候选者。然而，当前工作多集中于图像预处理等单一任务，而将多波长传感、传感器内计算与硬件安全集成的系统仍待探索。
与此同时，基于复杂数学方法的传统软件加密在能效和安全性方面局限性日益凸显。因此，硬件加密，特别是利用忆阻器件固有物理特性（如导电细丝形成与断裂的随机性）的策略，受到越来越多的关注。但这些方法常依赖于器件的不稳定性，易受环境波动影响。本研究提出了一种基于光电神经形态器件确定性物理响应的新型硬件级多维加密范式，为安全通信提供了新思路。
结果与讨论
器件特性与基础
研究团队在PET/ITO基底上，采用传统前端集成电路工艺，制备了具有PET/ITO/HfAlOx/NbOx/ITO结构的神经形态器件阵列。该器件在光脉冲调制下表现出多种神经突触行为，包括兴奋性突触后电流（EPSC）、脉冲数依赖性可塑性（SNDP）、脉冲频率依赖性可塑性（SRDP）、脉冲宽度依赖性可塑性（SWDP）以及从短时程可塑性（STP）到长时程可塑性（LTP）的转变。尤为重要的是，该器件不仅能响应多波长（从160 nm紫外光到550 nm绿光）的光刺激，其单次事件功耗可低至3.3 fJ，甚至低于人神经系统的10 fJ，展现了其在低功耗神经形态计算中的巨大潜力。
利用器件对不同波长光刺激产生的显著电流幅值差异，研究还演示了类似视网膜的图像预处理功能。例如，对济南超然楼的灰度图像，310 nm光脉冲刺激可增强图像对比度（灰度分布标准差σ从38增大到50），而550 nm光刺激则产生对比度更低、噪声更少的平滑效果。
多维加密原理与实现
本工作的核心是提出并实现了一种硬件级多维加密方法。其基本原理是利用器件对不同入射光脉冲（由波长、持续时间、脉冲数三个参数定义）产生独特电响应的特性。加密过程始于将待传输信息（如英文字母）转换为其6位ASCII码，并将此前两位、中间两位和最后两位二进制码分别映射到特定的光波长（λ）、单脉冲持续时间（D）和脉冲总数（N）。例如，字母“S”的ASCII码“010011”被映射为λ=450 nm， D=100 ms， N=30的光脉冲序列。
当此特定的光脉冲序列作用于器件时，会产生一个唯一对应的电流响应信号，从而完成信息的物理混淆加密。即使仅有6位数字输入，三个独立物理参数的组合也创造了一个远超简单数字密钥的、难以穷举探测或复制的丰富刺激空间。研究测试了全部26个英文字母，并利用掩膜版将字母图案（如“U”、“S”、“D”）直接写入器件阵列，通过测量每个器件的电流分布，清晰再现了字母形状，验证了该方案在并行处理与成像方面的潜力。
解密、系统集成与“敌我识别”
解密是加密通信的关键步骤。本研究采用卷积神经网络（CNN）对加密产生的电流响应信号进行处理和识别。经过训练，该CNN对合法用户（即知晓映射规则和拥有原始器件的接收方）的解密准确率高达97.4%。而对于试图破解加密的攻击者，其识别准确率在30个训练周期内无任何提升，平均仅为2.88%，相当于随机猜测的概率（1/26），充分证明了该多维加密方案的鲁棒性。
为提升应用的便携性，研究团队将训练好的神经网络权重参数部署到Arduino Nano V3.0微控制器上。当微控制器接收到来自计算机的电信号时，可成功进行识别解密，并将结果（如字母“S”、“D”、“U”）显示在外接LED屏幕上，证明了在移动设备上实现安全通信的可行性。
为进一步应对复杂的真实世界通信场景（如海事通信），研究在加密框架之上，构建了一个双认证的“敌我识别”（friend-or-foe identification）系统。该完整通信周期包含两部分：基于旗语信号的身份预认证，以及基于多波段加密的信息传输。
具体而言，发送方首先通过旗语发送信号，接收方需利用储层计算（Reservoir Computing）实时识别动态旗语轨迹，完成身份预验证。只有通过验证的接收方，才能进行后续的多波段加密通信。在加密通信阶段，发送方将信息（如“MAYDAY”）通过前述多维加密方法转换为光脉冲序列，只有持有安全物理原语（即特定器件）和映射规则的合法接收方才能解密。此外，系统还将不同字母在加密下的稳态电流值映射到旗语动作中，在身份预认证阶段同时验证隐藏信息。这种设计确保了只有掌握完整映射规则和加解密凭证的通信方才能实现有效的相互识别与信息恢复，对于缺乏凭证或仅拥有部分凭证的第三方，系统提取的信息将不完整或完全无法识别，从而有效保障了通信的安全性与访问可靠性。
结论
本研究成功开发并演示了一个以光电神经形态器件为核心的硬件多维加密系统。该系统的核心是一个既能以超低功耗模拟关键生物突触功能，又能对多参数光刺激产生独特、确定性响应的突触器件。这种神经拟态动力学与多波长敏感性的独特结合，为一种新型加密方案提供了物理基础，其中信息通过器件固有的物理特性而非纯数学算法进行转换和保护。研究建立了一个完整的加密-解密流程，并通过合法用户（97.40%）与攻击者（2.88%）在解密准确率上的巨大差异， unequivocally 验证了该方法的高安全性与鲁棒性。通过将解密网络部署到微控制器，以及构建一个集成了动态旗语识别与信息隐藏验证的“敌我识别”预认证层，该工作从独立的加密设备向一个全面、情境感知的安全通信系统迈出了重要一步，展示了其在下一代神经形态海上安全通信等复杂场景中的应用潜力。
实验部分
器件的HfAlOx功能层采用原子层沉积（ALD）工艺在200°C反应腔中制备，一个HfAlOx沉积循环由基于前驱体TDMAH、TMA和H2O的一循环HfO2和一循环Al2O3组成。NbOx和ITO顶电极均采用磁控溅射制备。器件成分通过X射线光电子能谱（XPS）确定。电学测量在暗态下使用半导体参数分析仪（Agilent B1500A）进行。电脉冲由半导体脉冲发生器单元（SPGU）模块产生。可调波长的光脉冲由氙灯系统产生。
