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物理学家成功利用弯折光线传播信息 可大大提高传输数据量
李明 2016-12-02
导语

我们在打电话或上网时,每秒钟都有数十亿比特的数据通过光纤进行传播。近期一项实验显示,我们或许能“弯折”光波,从而增加传播数据的数量和距离。在该实验中,物理学家利用弯折后的激光,将"世界你好"这条消息从一座岛上传送到了另一座岛上。

图:科学家在两座小岛上的天文台之间用一道绿色的激光束传递了信息,结果接收器成功收到了信号,还能分析出研究人员改变了哪些角动量。

北京时间12月1日消息,据国外媒体报道,我们在打电话或上网时,每秒钟都有数十亿比特的数据通过光纤进行传播。近期一项实验显示,我们或许能“弯折”光波,从而增加传播数据的数量和距离。在该实验中,奥地利物理学家利用弯折后的激光,将“世界你好”(Hello World)这条消息从一座岛上传送到了另一座岛上。

弯折的光子

人类早就利用光波进行通讯了。无线电就是光的一种形式,激光在光纤中也十分常见。我们可以利用光波的振幅(如AM广播)或频率(如FM广播)、甚至光波的相位和偏振现象传递信息。

此前,我们只能将信息编入光波的上述四种属性中(又称自由度),这限制了我们利用光子传递的信息量。而维也纳大学一支由各国科学家组成的研究团队希望能将信息编入光波的第五种属性中,也就是光波的角动量,从而大大增加信息传输的距离。他们在加纳利群岛上的两座天文台之间实现了数据传输,距离约为142公里。

虽然听起来有悖于常理,但光的确是有角动量的。这是因为构成光的光子其实会发生弯折,还会转动若干次。近年来,科学家已经找到了一些增加光子弯折次数的方法,从而改变光的角动量。

“增加了一个自由度之后,光的波长仍与原来相同,但通过引入因数n,我们便大大增加了传播的信息量。”维也纳大学博士生、此次研究的主要作者马利奥·克莱恩(Mario Krenn)指出。这里“n”指的是光波角动量的“模”数(modes),并且只能是整数。假设传播信息时所用的模数为5,利用了10条波长通道,那么传输的数据量就可以达到原先10条波长通道所传输的5倍。

图:从照片中可以看出(图片颜色不准确),当放大两倍之后,光波看上去惊人地复杂

光的传播

通常来说,当一束激光击中空白的屏幕时,显示出的会是一个光环。研究人员利用计算机将角动量按不同的方式重叠在一起,从而在光波中编入了可供解读的信息。通过这种方法,研究人员合成了一条可解读为“世界你好”的信息。

不过,能够解读出信息仅仅是该实验的一部分。接下来,科学家还需要将信息传输到其它地方。此前,大多数科学家都认为光子无法在大气中传播信息,因为他们认为角动量很容易被光的折射率所影响,而气压和空气湿度都会使折射率发生改变。但他们错了。该研究团队在两座小岛上的天文台之间用一道绿色的激光束传递了信息,结果接收器成功收到了信号,还能分析出研究人员改变了哪些角动量。“传播距离能超过3公里,我们就已经很吃惊了。”克莱恩表示。

但科学家还不清楚信息为何能成功传播,可能是因为此前的假设本身就是错误的,空气并不会对此类传播方式造成干扰。

此次实验取得圆满成功,今后人们将开展更多的研究工作,逐渐将该技术运用于信息通讯中。克莱恩指出,实验中采用的发送器和接收器其实都很简单,最复杂的要数对信号的处理,不过这也可以通过常见的数学手段来解决。

文章链接:

Mario Krenn, et al, "Twisted light transmission over 143 km," Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016; 201612023 DOI:10.1073/pnas.1612023113

(本文来源:新浪科技;)

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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

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