信息处理能力是光纤传输的100倍?世界首个超宽带光学全息技术实
  • 时间:2019-12-13
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  假设这样一个场景:你和朋友收到了同一份加密全息数据,然而利用不同的“光钥”解码,你们眼前却出现了截然不同的全息图像。如果将这一技术用于银行,也许将来人们无需记住密码,用酷炫的全息“光钥”就能打开小金库。

  上海理工大学科研团队研发的轨道角动量全息技术,就将让这一场景成为可能。该技术不仅颠覆了全息影像的传输方式,更是为传输过程设置了一把“安全锁”。

  据悉,这支由中国工程院外籍院士顾敏教授领衔的科研团队,创造性地利用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,也为大数据信息时代提供了大容量全息术。10日凌晨,相关研究成果以长文形式发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上。

  近日,微软公司找到了一种全新的数据存储方式,他们将数据多达75.6GB的1978版《超人》储存在了一块杯垫大小的玻璃中。和寿命只有数年的CD 和硬盘相比,该玻璃硬盘中的内容可以存储1000年以上。

  在顾敏院士看来,光盘并没有退出历史舞台,相反,随着大数据存储的能耗越来越大,光存储技术有着巨大的应用前景,“只要电子技术可以做的,光都可以替代。”

  除了寿命长、耗能低之外,光存储技术还有着存储能力高的特点。据介绍,由于光的角动量属性,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。这也意味着,角动量传输的信息存储能力是光纤传输的100倍,这为大数据时代的大容量全息技术打下基础。

  据论文第一作者、上理工光电信息与计算机工程学院特聘研究员方心远博士介绍,传统全息显示技术中,只能通过增加信号源,提升信息通道的数目,以实现复杂的显示效果。这种情况下,往往会出现带宽不够、分辨率不高等情况。

  在研究中,方心远发现,“螺旋程度”不同的轨道角动量光则对应了同一信号源不同的信息通道。结合纳米光子学技术,将来人们可以仅仅利用一个纳米级的信号源,便可以实现超宽带的全息显示效果。“这将为大众提供更优质的信息记录手段和出色的视觉体验。”方心远说。

  在顾敏院士看来,大容量存储能力只是该项技术的优势之一。它的“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。”据顾敏院士介绍,5G时代的通讯中,保密性的重要程度将进一步凸显,发展轨道角动量全息技术将成为“必经之路”。

  这一课题的起源,来自一份“不可能”完成的作业。去年,尚在读博的方心远虽取得了不小的成绩,但深感遇到科研瓶颈。那时,他刚好看到顾敏院士课题组在期刊《科学》(Science)发表的一篇前沿文章,就试着联系顾敏院士,看能否取得与世界团队短期交流的机会。

  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琢磨的课题。方心远想了两周之后,却告诉老师:“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。过去,光的衍射和螺旋光束完全“不沾边”,而由于傅里叶空间的轨道角动量伪色散关系,螺旋光成为了可操控的“同心圆”。“这是这一研究最妙的地方,可以说是实现了科学上0到1的突破。”顾敏院士说。

  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。“我已经全职加入顾敏院士的团队,我想要把这份‘作业’继续做下去,在光学领域做深做实。”方心远说。

  该项技术在未来将如何应用?据顾敏院士介绍,轨道角动量全息技术在人工智能、三维显示、数字全息显微技术、数据存储、人工神经网络、精准医疗等多种领域将大有可为。比如,人们将来将可以看到的全息图像,通过螺旋光就能“穿透”,精确地“看到”并记录器官的情况。此外,该技术还可以将应用在量子光学领域,为信息交互过程提供前所未有的安全保障。

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