作者 吳苡婷 首發(fā)于上?？萍紙?/strong>

日前，上海理工大學召開專門新聞發(fā)布會宣布，中國工程院外籍院士,、澳大利亞科學院與工程院院士,、國際光學Dennis Gabor獎獲得者、上海理工大學人工智能納米光子學研究中心顧敏院士領(lǐng)銜的科研團隊,，創(chuàng)造性地利用具有“螺旋”特性的軌道角動量光束作為光學全息過程中的信息載體,，實現(xiàn)了世界上首個超寬帶的光學全息過程，為大數(shù)據(jù)信息時代提供了理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù),。北京時間12月10日,，相關(guān)研究成果以長文方式發(fā)表在世界光學頂尖期刊《自然—光子學》（Nature Photonics）上。

記者在采訪中了解到這個在光學領(lǐng)域的技術(shù)突破看似不起眼,，但是卻蘊含著超乎想象的能量！它將為中國高科技產(chǎn)業(yè)在眾多領(lǐng)域的彎道超車奠定基礎(chǔ),。

一束光背后的精彩故事

在一束明媚的陽光里,，你會看到什么呢？如果我們把一束白光讓其通過棱鏡發(fā)生折射,，可以在屏幕上形成一條彩色的光帶,。光帶中靠近棱鏡頂角的一端是紅色,靠近底面的一端是紫色,形成了紅、橙,、黃,、綠,、青,、藍、紫的七色彩帶,。光還有波長,，波長由小到大可以分為微波、太赫茲波,、可見光,、X射線、γ射線等,。每一個波長區(qū)段的光都有其作用,。另外，光還有波動性,，有偏振的特性,，還有各自的角動量，它有獨特的姿態(tài),，從理論上來說,，我們可以賦予每個光線不同的姿態(tài)，擁有不同軌道角動量的光束在空間中可以以各種各樣的“螺旋姿態(tài)”前進，科學家可以通過對軌道角動量光束空間頻譜面進行分析,，就可以使得軌道角動量光束成為全息過程中的信息載體,。而這就是顧敏院士領(lǐng)銜的科研團隊創(chuàng)造的光學通訊領(lǐng)域的奇跡的物理學基礎(chǔ)。

今天我們?nèi)粘Ｉ钪谐錆M了各種信息流,，它們快速和準確地通過各種介質(zhì)來到我們身邊,。顧敏院士介紹說，從本質(zhì)上看帶著信息“沖鋒向前”的是電子和光,。這就是電子通訊和光通訊的技術(shù)所在,，所有的信息邏輯語言都是“0和1”的復(fù)雜組成。所不同的是電子需要電流來推動,，而推動光前進的能量就少得多,。我們在日常生活中見到的物質(zhì)載體分別是電纜和光纖。光通訊近年來一直是高科技領(lǐng)域的一大前沿熱點問題,。

圖為顧敏院士

信息的安全性得到了充分保障

這次科研成果的誕生也有一份偶然性。

去年,，該成果的第一作者方心遠還在攻讀博士學位,，雖取得了不小的成績，但他深感遇到科研瓶頸,。那時候,，他剛好看到顧敏院士課題組在《科學》（Science）發(fā)表的一篇前沿文章，就試著聯(lián)系顧敏院士,，看能否取得與世界頂級團隊短期交流的機會,。當加入團隊后，顧院士給了方心遠博士一個命題作業(yè),，“螺旋光束能不能在全息場景下攜帶信息,？”這是顧院士腦海中一直在捉摸的課題。然而方心遠想了2周之后,，告訴老師“這不可能啊,。”原來,，這一課題按照現(xiàn)有的原理來推算的話,，是根本不可能實現(xiàn)的一種假設(shè)，就好像是一道數(shù)學題,，雖給出了“答案”卻根本沒有“推導(dǎo)過程”一樣,。“要不試試,，讓布拉格衍射定律在傅里葉空間延伸,？”一個月后,，方心遠打破了自己的結(jié)論，有了新的靈感,。最終,，僅僅耗時9個月，這份“不可能”的作業(yè)就被方心遠攻破了,。

傳統(tǒng)全息顯示技術(shù)是利用干涉原理,將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來,使物光波前的全部信息都存儲在記錄介質(zhì),故所記錄的干涉條紋圖樣被稱為“全息圖”。當用光波照射全息圖時,由于衍射原理能重現(xiàn)出原始物光波,從而形成原物體逼真的三維像,。但是因為信息通道所限,，往往很難呈現(xiàn)出更加生動的顯示效果。方心遠透露,，而在他們的研究中,，只要結(jié)合納米光子學技術(shù)，僅僅利用一個納米級的信號源就可以實現(xiàn)超寬帶的全息顯示效果,，因此在三維顯示,、數(shù)字全息顯微技術(shù)上將大有可為。

方心遠告訴記者,，未來的信息傳輸很可能上演這樣一幕晨起的場景,，當你和朋友們收到了同一份加密全息數(shù)據(jù)，然而利用不同的“光鑰”解碼,，你的眼前呈現(xiàn)的是周杰倫在唱《說好不哭》,，朋友呈現(xiàn)的是易烊千璽在跳街舞。

在顧敏院士看來,，該技術(shù)的“硬實力”還在于創(chuàng)造性地為全息技術(shù)加裝一把安全“鎖”,。傳統(tǒng)意義上，一把全息“鎖”只有一種解碼方式,，而我們的研究把“螺旋光”配成多把“鑰匙”,，可以將同一把全息‘鎖’解碼出不同的信息,，收信人根據(jù)手里的“光鑰”解讀出只有他自己才能看到的最終信息,，這就保護了信息傳遞的安全性。

角動量光束“攪動”著全球通訊產(chǎn)業(yè)

然而該成果最讓人期待的是在光通訊領(lǐng)域的實踐,。顧敏介紹說,，因為可以在納米尺度的信號源上進行，而且光的姿態(tài)可以隨意調(diào)控,，有著無限種可能,。從理論上說，只要后續(xù)慢慢加強科研投入,，可以形成無限大的帶寬規(guī)模,，有點類似摩爾定律的模式，所謂摩爾定律是集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍,。未來我們的帶寬也可以做到過一段時間提高一倍,。而這種可能性對于未來中國5G、6G,、7G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著巨大的潛在價值,。因此處于納米級別，從目前的技術(shù)儲備看,，它的通訊容量也是光纖通訊的100倍,，一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將大大提升信息傳輸?shù)囊?guī)模和質(zhì)量,。

而存儲領(lǐng)域的革命也將拉開序幕,。方心遠告訴記者，對于傳統(tǒng)全息顯示技術(shù)而言,，一張平面全息圖往往只能記錄一張圖片,，然而隨著信息時代的快速發(fā)展，往往我們需要利用相同的內(nèi)存來記錄下更多的圖片,。利用最新發(fā)現(xiàn)的軌道角動量全息技術(shù),，相同的內(nèi)存能夠?qū)D片信息存儲能力提高100倍，為下一代大容量全息技術(shù)打下基礎(chǔ),。

顧敏透露說,，未來的存儲介質(zhì)也可能發(fā)生變化，如果我們在特殊的玻璃材質(zhì)上加入特殊的納米顆粒,，實現(xiàn)材質(zhì)的光角動量記憶,，不僅可以大大提高信息的存儲量，還可以使得信息的存儲時間拉長到千年級別,。這是相當激動人心的,！

顧敏介紹說，未來該成果還可以應(yīng)用到精準醫(yī)學的研究中去,。在精準醫(yī)學中,，可以利用該技術(shù)拍攝和傳輸無死角的高清晰的器官影像。

圖為顧敏院士

值得一提的是,，今年，顧敏院士正式辭去皇家墨爾本理工大學副校長職務(wù),，全職加入上理工,。上理工人工智能納米光子學實驗室也已經(jīng)開始建設(shè)。這位出生于青浦朱家角的上?？茖W家要把信息光學賦能人工智能,，在上海建設(shè)全球科創(chuàng)中心的滾滾洪流中,，這位世界一流的科學家?guī)ьI(lǐng)他的團隊還會貢獻更多的智慧。