該技術通過量子層面的研究，進一步推進無線光信號傳輸?shù)纳逃没?/p>

　　近日，英國、德國、新西蘭和加拿大的科學家團隊共同攻克了在開放空間內(nèi)使用扭曲的光束存在的重大技術難題，該團隊將關于此研究成果的論文發(fā)表在了《Science》雜志上。

　　在傳統(tǒng)的光量子通信中，傳輸過程是用0和1來承載信息的，而在這種“扭轉”光子中，它所攜帶的信息不僅僅是0和1，還有附加的信息。因此“扭轉”光子的這種能力使得軌道角動量(OAM)技術具有創(chuàng)造出更高通信帶寬的潛力。

　　在介紹這項研究之前，我們先來了解幾個名詞，以方便閱讀。

　　光纖與光子

　　光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。其傳輸原理是‘光的全反射’，這里全反射指的是光由光密介質(zhì)(即光在此介質(zhì)中的折射率大的)射到光疏介質(zhì)(即光在此介質(zhì)中折射率小的)的界面時，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象。

　　實際使用中，光纖的發(fā)射端使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖傳送到光纖中，光纖的另一端使用光敏元件檢測脈沖信號。

　　其中，光脈沖就是光源按著一定時間間隔(如0.1s)時斷時續(xù)的發(fā)光。雖然我們看見的是光的形式，但光其實是一種電磁波，它的基本單位是光子。當我們考慮光子這一微觀層面時，光的質(zhì)量和能量通過愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2是可以計算出來的。

　　但在光纖中的光傳播，我們目前對其速度要求沒有那么高，所以就忽視光本身的質(zhì)量等因素，只考慮傳播過程中涉及的介質(zhì)因素(如空氣、玻璃等都稱為介質(zhì))，不過基于目前的要求來看，介質(zhì)因素對光脈沖信號的影響也不大。

　　光子與量子通信

　　光子的概念是阿爾伯特愛因斯坦在1905年至1917年間提出的，這一概念的形成帶動了實驗和理論物理學在多個領域的巨大進展。其中光子本身具有內(nèi)秉屬性，例如質(zhì)量、電荷、自旋等。

　　科學家一直希望用光子代替電子實現(xiàn)更快捷安全的光通訊，現(xiàn)在，科學家們成功證明，他們能更快速地(在幾納秒內(nèi))控制與目前光通訊網(wǎng)絡中所用光波波長一樣的光子的路徑和偏振，新光子電路可整合進現(xiàn)有的光通訊網(wǎng)絡中，從而顯著改進網(wǎng)絡的性能。

　　目前，我們國家已經(jīng)有多條量子通信干線，其中浙江神州量子通信技術有限公司投資建設的量子保密通信干線“滬杭干線”在七月份就投入使用，并成為我國首條干線。

　　但值得注意的是，目前已有的量子通信干線只能夠實現(xiàn)借助于搭建的線纜來傳輸，在一定的時間內(nèi)，這樣的傳輸速度和傳輸容量是足以滿足現(xiàn)有的需求的。但是，等到量子通信的全面普及之時，人們還是期望可以有無線的量子傳輸方式出現(xiàn)。

　　OAM通信

　　1992年，科學家通過實驗證實光子具有軌道角動量(OAM)這一基本性質(zhì)，同一頻率的電磁波，理論上可以有無窮多個不同OAM的取值。

　　OAM通信體制研究的核心是把光子軌道角動量(OAM)這一尚未利用的電磁波參數(shù)維度用于通信，充分利用光子軌道角動量大幅度提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和容量，以滿足未來10-20年間通信容量2-3個數(shù)量級的增長需求。

　　據(jù)了解，現(xiàn)在信號的調(diào)制通常通過增加天線數(shù)來增加信道，通常手機只能做到兩天線，即將出現(xiàn)的5G通信中的MIMO技術使天線可以增加到幾百個，而OAM技術可以讓信道容量呈指數(shù)級增加。

　　背景|技術難點

　　因此，有科學家稱，使用‘扭轉’光束來無線傳輸大容量數(shù)據(jù)(光子的OAM通信)，其速度和性能都可以瞬間秒殺光纖傳輸，但是該技術的完全實現(xiàn)還存在問題。

　　雖然OAM技術已經(jīng)開始被使用到電纜的傳輸應用中(如現(xiàn)在國內(nèi)中興等公司研制的端到端OAM通信技術)，但是在在開放的空間內(nèi)傳輸扭轉的光束對于科學家來說是一個極大的挑戰(zhàn)。因為即使空氣中的細微的湍流變化也會導致自旋信息的丟失。

　　測試|相位純度控制

　　在此次研究中，科學家們在城市環(huán)境中搭建了扭轉光束傳輸?shù)亩说蕉送ㄐ沛溌罚υ撴溌分泄馐能壍澜莿恿?OAM)的相位和幅度進行實時測試，以評估該量子形式的通信方式的可行性。

　　據(jù)了解，測試的這條通信鏈路選在德國埃爾蘭根，信號傳輸起始點和終點之間的距離有1.6千米，其中穿過了空地、街道和高樓，以實現(xiàn)對城市環(huán)境、氣流和氣壓變化的高度模擬。

　　值得指出的是，不同于此前關于OAM通信系統(tǒng)的研究，此次該團隊的研究結合了實際應用場景，詳細探討了環(huán)境對“扭轉”光子的影響，以及該技術在實際鏈路傳輸過程中如何保持相位純度的問題。

　　測試結果中，研究人員利用氣壓變化和信號放大來描述相位純度的脆弱性，這也指出了自適應光學系統(tǒng)想要商用需要解決的問題。

　　對于這項研究，格拉斯哥大學Martin Lavery博士表示：“在全球數(shù)據(jù)需求以指數(shù)速度增長的時代，迫切需要發(fā)現(xiàn)新的信息傳遞方式，以跟上全球數(shù)據(jù)資源的急速上升。”

　　總結

　　研究人員指出，這項研究在邁向高維度自由空間光學的旅程中邁出了重要的一步，對此，Lavery博士表示：“這些新的進展讓我們重新思考環(huán)境對建模方法和自適應光學系統(tǒng)的要求。這樣，我們才能逐漸開發(fā)可以在真實城市環(huán)境中部署的OAM通信系統(tǒng)。”

　　最后，值得一提的是，我國也十分重視該技術的研發(fā)，在2014年，“基于光子軌道角動量(OAM)的新型通信體制基礎研究”項目就啟動了，據(jù)了解，該項目由中山大學、清華大學、華中科技大學、烽火通信科技股份有限公司、浙江大學和北京理工大學等6家單位共同承擔，首席科學家為中山大學余思遠教授，研究團隊包括孫長征、王健、章獻民、李詩愈等30位科研人員。