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作者 吴苡婷 首发于上海科技报 日前，上海理工大学召开专门新闻发布会宣布，中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院与工程院院士、国际光学Dennis Gabor奖获得者、上海理工大学人工智能纳米光子学研究中心顾敏院士领衔的科研团队，创造性地利用具有“螺旋”特性的轨道角动量光束作为光学全息过程中的信息载体，实现了世界上首个超宽带的光学全息过程，为大数据信息时代提供了理论基础和实践依据。北京时间12月10日，相关研究成果以长文方式发表在世界光学顶尖期刊《自然—光子学》（Nature Photonics）上。  记者在采访中了解到这个在光学领域的技术突破看似不起眼，但是却蕴含着超乎想象的能量！它将为中国高科技产业在众多领域的弯道超车奠定基础。 一束光背后的精彩故事 在一束明媚的阳光里，你会看到什么呢？如果我们把一束白光让其通过棱镜发生折射，可以在屏幕上形成一条彩色的光带。光带中靠近棱镜顶角的一端是红色,靠近底面的一端是紫色,形成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色彩带。光还有波长，波长由小到大可以分为微波、太赫兹波、可见光、X射线、γ射线等。每一个波长区段的光都有其作用。另外，光还有波动性，有偏振的特性，还有各自的角动量，它有独特的姿态，从理论上来说，我们可以赋予每个光线不同的姿态，拥有不同轨道角动量的光束在空间中可以以各种各样的“螺旋姿态”前进，科学家可以通过对轨道角动量光束空间频谱面进行分析，就可以使得轨道角动量光束成为全息过程中的信息载体。而这就是顾敏院士领衔的科研团队创造的光学通讯领域的奇迹的物理学基础。 今天我们日常生活中充满了各种信息流，它们快速和准确地通过各种介质来到我们身边。顾敏院士介绍说，从本质上看带着信息“冲锋向前”的是电子和光。这就是电子通讯和光通讯的技术所在，所有的信息逻辑语言都是“0和1”的复杂组成。所不同的是电子需要电流来推动，而推动光前进的能量就少得多。我们在日常生活中见到的物质载体分别是电缆和光纤。光通讯近年来一直是高科技领域的一大前沿热点问题。  图为顾敏院士 信息的安全性得到了充分保障 这次科研成果的诞生也有一份偶然性。 去年，该成果的第一作者方心远还在攻读博士学位，虽取得了不小的成绩，但他深感遇到科研瓶颈。那时候，他刚好看到顾敏院士课题组在《科学》（Science）发表的一篇前沿文章，就试着联系顾敏院士，看能否取得与世界顶级团队短期交流的机会。当加入团队后，顾院士给了方心远博士一个命题作业，“螺旋光束能不能在全息场景下携带信息？”这是顾院士脑海中一直在捉摸的课题。然而方心远想了2周之后，告诉老师“这不可能啊。”原来，这一课题按照现有的原理来推算的话，是根本不可能实现的一种假设，就好像是一道数学题，虽给出了“答案”却根本没有“推导过程”一样。“要不试试，让布拉格衍射定律在傅里叶空间延伸？”一个月后，方心远打破了自己的结论，有了新的灵感。最终，仅仅耗时9个月，这份“不可能”的作业就被方心远攻破了。  传统全息显示技术是利用干涉原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,使物光波前的全部信息都存储在记录介质,故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时,由于衍射原理能重现出原始物光波,从而形成原物体逼真的三维像。但是因为信息通道所限，往往很难呈现出更加生动的显示效果。方心远透露，而在他们的研究中，只要结合纳米光子学技术，仅仅利用一个纳米级的信号源就可以实现超宽带的全息显示效果，因此在三维显示、数字全息显微技术上将大有可为。 方心远告诉记者，未来的信息传输很可能上演这样一幕晨起的场景，当你和朋友们收到了同一份加密全息数据，然而利用不同的“光钥”解码，你的眼前呈现的是周杰伦在唱《说好不哭》，朋友呈现的是易烊千玺在跳街舞。 在顾敏院士看来，该技术的“硬实力”还在于创造性地为全息技术加装一把安全“锁”。传统意义上，一把全息“锁”只有一种解码方式，而我们的研究把“螺旋光”配成多把“钥匙”，可以将同一把全息‘锁’解码出不同的信息，收信人根据手里的“光钥”解读出只有他自己才能看到的最终信息，这就保护了信息传递的安全性。 角动量光束“搅动”着全球通讯产业 然而该成果最让人期待的是在光通讯领域的实践。顾敏介绍说，因为可以在纳米尺度的信号源上进行，而且光的姿态可以随意调控，有着无限种可能。从理论上说，只要后续慢慢加强科研投入，可以形成无限大的带宽规模，有点类似摩尔定律的模式，所谓摩尔定律是集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍。未来我们的带宽也可以做到过一段时间提高一倍。而这种可能性对于未来中国5G、6G、7G产业的发展有着巨大的潜在价值。因此处于纳米级别，从目前的技术储备看，它的通讯容量也是光纤通讯的100倍，一旦实现产业化，将大大提升信息传输的规模和质量。 而存储领域的革命也将拉开序幕。方心远告诉记者，对于传统全息显示技术而言，一张平面全息图往往只能记录一张图片，然而随着信息时代的快速发展，往往我们需要利用相同的内存来记录下更多的图片。利用最新发现的轨道角动量全息技术，相同的内存能够将图片信息存储能力提高100倍，为下一代大容量全息技术打下基础。 顾敏透露说，未来的存储介质也可能发生变化，如果我们在特殊的玻璃材质上加入特殊的纳米颗粒，实现材质的光角动量记忆，不仅可以大大提高信息的存储量，还可以使得信息的存储时间拉长到千年级别。这是相当激动人心的！ 顾敏介绍说，未来该成果还可以应用到精准医学的研究中去。在精准医学中，可以利用该技术拍摄和传输无死角的高清晰的器官影像。  图为顾敏院士 值得一提的是，今年，顾敏院士正式辞去皇家墨尔本理工大学副校长职务，全职加入上理工。上理工人工智能纳米光子学实验室也已经开始建设。这位出生于青浦朱家角的上海科学家要把信息光学赋能人工智能，在上海建设全球科创中心的滚滚洪流中，这位世界一流的科学家带领他的团队还会贡献更多的智慧。 |
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