信息處理能力是光纖傳輸的100倍?上理工團隊研發世界首個超寬帶...

假設這樣一個場景：你和朋友收到了同一份加密全息數據，然而利用不同的「光鑰」解碼，你們眼前卻出現了截然不同的全息圖像。如果將這一技術用於銀行，也許將來人們無需記住密碼，用酷炫的全息「光鑰」就能打開小金庫。

上海理工大學科研團隊研發的軌道角動量全息技術，就將讓這一場景成為可能。該技術不僅顛覆了全息影像的傳輸方式，更是為傳輸過程設置了一把「安全鎖」。

據悉，這支由中國工程院外籍院士顧敏教授領銜的科研團隊，創造性地利用軌道角動量光束作為光學全息過程中的信息載體，實現了世界上首個超寬帶的光學全息過程，也為大數據資訊時代提供了大容量全息術。10日凌晨，相關研究成果以長文形式發表在世界光學頂尖期刊《自然-光子學》上。

【為全息技術加裝安全「鎖」】

近日，微軟公司找到了一種全新的數據存儲方式，他們將數據多達75.6GB的1978版《超人》儲存在了一塊杯墊大小的玻璃中。和壽命只有數年的CD 和硬碟相比，該玻璃硬碟中的內容可以存儲1000年以上。

在顧敏院士看來，光碟並沒有退出歷史舞臺，相反，隨著大數據存儲的能耗越來越大，光存儲技術有著巨大的應用前景，「只要電子技術可以做的，光都可以替代。」

顧敏院士

除了壽命長、耗能低之外，光存儲技術還有著存儲能力高的特點。據介紹，由於光的角動量屬性，利用最新發現的軌道角動量全息技術，相同的內存能夠將圖片信息存儲能力提高100倍。這也意味著，角動量傳輸的信息存儲能力是光纖傳輸的100倍，這為大數據時代的大容量全息技術打下基礎。

據論文第一作者、上理工光電信息與計算機工程學院特聘研究員方心遠博士介紹，傳統全息顯示技術中，只能通過增加信號源，提升信息通道的數目，以實現複雜的顯示效果。這種情況下，往往會出現帶寬不夠、解析度不高等情況。

在研究中，方心遠發現，「螺旋程度」不同的軌道角動量光則對應了同一信號源不同的信息通道。結合納米光子學技術，將來人們可以僅僅利用一個納米級的信號源，便可以實現超寬帶的全息顯示效果。「這將為大眾提供更優質的信息記錄手段和出色的視覺體驗。」方心遠說。

在顧敏院士看來，大容量存儲能力只是該項技術的優勢之一。它的「硬實力」還在於創造性地為全息技術加裝一把安全「鎖」。「傳統意義上，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。收信人根據手裡的『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。」據顧敏院士介紹，5G時代的通訊中，保密性的重要程度將進一步凸顯，發展軌道角動量全息技術將成為「必經之路」。

【源於一份「不可能」完成的作業】

這一課題的起源，來自一份「不可能」完成的作業。去年，尚在讀博的方心遠雖取得了不小的成績，但深感遇到科研瓶頸。那時，他剛好看到顧敏院士課題組在期刊《科學》（Science）發表的一篇前沿文章，就試著聯繫顧敏院士，看能否取得與世界頂級團隊短期交流的機會。

加入團隊後，顧院士給了方心遠博士一個命題作業：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琢磨的課題。方心遠想了兩周之後，卻告訴老師：「這不可能啊。」原來，這一課題按照現有的原理來推算的話，是根本不可能實現的一種假設，就好像是一道數學題，雖給出了「答案」卻根本沒有「推導過程」一樣。

「要不試試，讓布拉格衍射定律在傅立葉空間延伸？」一個月後，方心遠打破了自己的結論，有了新的靈感。過去，光的衍射和螺旋光束完全「不沾邊」，而由於傅立葉空間的軌道角動量偽色散關係，螺旋光成為了可操控的「同心圓」。「這是這一研究最妙的地方，可以說是實現了科學上0到1的突破。」顧敏院士說。

原理示意圖

最終，僅僅耗時9個月，這份「不可能」的作業就被方心遠攻破了。「我已經全職加入顧敏院士的團隊，我想要把這份『作業』繼續做下去，在光學領域做深做實。」方心遠說。

該項技術在未來將如何應用？據顧敏院士介紹，軌道角動量全息技術在人工智慧、三維顯示、數字全息顯微技術、數據存儲、人工神經網絡、精準醫療等多種領域將大有可為。比如，人們將來將可以看到人體的全息圖像，通過螺旋光就能「穿透」人體，精確地「看到」並記錄人體器官的情況。此外，該技術還可以將應用在量子光學領域，為信息交互過程提供前所未有的安全保障。