6G超大容量光通信網(wǎng)絡：即時、高效和智能的超連接來重塑世界

6G移動通信網(wǎng)絡將通信的領域邊界從物理世界進一步拓展至數(shù)字世界，通過在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時、高效和智能的超連接來重塑世界，這一趨勢將開啟移動通信的新篇章。6G網(wǎng)絡超大規(guī)模的全局性連接將給網(wǎng)絡的運營和管理帶來巨大挑戰(zhàn)，亟待革命性的理論和技術創(chuàng)新。

人類社會正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命，其推動力主要源于萬物數(shù)字化、信息通信技術(ICT)以及人工智能(AI)技術等的融合創(chuàng)新。其中，信息通信技術在人類社會邁向數(shù)字智能新階段的演進中發(fā)揮著至關重要的作用。第五代(the fifth generation, 5G)移動通信網(wǎng)絡通過有機融合泛在的通信、計算和控制(ubiquitous communication, computing, and control, UC3)能力，為人、機、物的互聯(lián)開辟了全新范式。 第六代(the sixth generation, 6G)移動通信網(wǎng)絡將通信的領域邊界從物理世界進一步拓展至數(shù)字世界，通過在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時、高效和智能的超連接來重塑世界，這一趨勢將開啟移動通信的新篇章。

基于上述討論，為了邁向“智慧演化和原生簡約”的“智簡”網(wǎng)絡(wisdom-evolutionary and primitive-concise Network, WePCN)，我們引入了一個智能高效的語義通信(IE-SC)網(wǎng)絡架構以提高網(wǎng)絡的智能水平，使網(wǎng)絡變得更加高效和簡約。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設計理念主要是通過資源堆疊來提升網(wǎng)絡能力，如更多的頻譜資源及計算資源、更密集的接入點和更大規(guī)模的天線等。這種堆疊式網(wǎng)絡性能提升的代價是網(wǎng)絡復雜度的極速提高。與傳統(tǒng)設計理念不同，我們期望通過源于網(wǎng)絡原生智慧累積的簡約通信來提升網(wǎng)絡能力。具體而言， IE-SC架構的核心是SI平面，它實現(xiàn)了語義環(huán)境表征、背景知識管理、語義推理和決策等。此外，我們設計了三個語義賦能的全新抽象協(xié)議層——語義賦能的物理承載(semantic-empowered physical-bearing, S-PB)層、語義賦能的網(wǎng)絡協(xié)議(semantic-empowered network protocol, S-NP)層和語義賦能的應用意圖(semantic-empowered application-intent, S-AI)層，它們能夠重塑現(xiàn)有的網(wǎng)絡協(xié)議層。SI平面通過語義信息流(semantic information flow , S-IF)協(xié)調這三個語義協(xié)議層，其中S-IF承載著應用意圖和語義信息在全網(wǎng)流轉。

在收到S-IF后，S-NP層可以編排與意圖相關的語義，產生靈活而簡約的協(xié)議。S-PB層采用合適的語義-語法聯(lián)合編碼策略來承接S-NP層，提高物理資源利用率及意圖達成效率。通過IE-SC架構，Ubiquitous-X 6G網(wǎng)絡所面臨的高復雜度問題有望得到解決。不僅如此，IE-SC架構還有望全面提升網(wǎng)絡能力以實現(xiàn)WePCN愿景——構建有序、高效、智能的Ubiquitous-X網(wǎng)絡以支持未來應用和服務。

“該成果在自由光通信領域具有重要的發(fā)展前景，對于下一代 6G 通信的超大容量光通信網(wǎng)絡具有應用潛力。未來還可用于星間、星地通信鏈路。審稿人評價稱，‘該研究非常有趣，對于新型光場作為高維信息載體的應用來說堪稱奠基性的工作，將對光通信領域帶來巨大的效益。’”清華大學精儀系激光與光子技術研究所副教授付星表示。

近日，他所在的先進激光技術團隊，對下一代大容量密集編碼自由光通信應用開展了前沿探索，采用共軛調制方法巧妙實現(xiàn)了信息解復用。相關實驗很好地支撐了理論假設，結果表明新型光束在信道容量、誤碼率方面都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋光，從而發(fā)揮出軌道角動量(OAM，Orbital Angular Momentum)光束高維通信的優(yōu)勢。

日前，相關論文以《面向未來超大容量、低誤碼率光通信的發(fā)散簡并空間復用技術》(Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications)為題，發(fā)表在Light: Science & Applications上。付星、團隊負責人清華大學精儀系系主任柳強擔任共同通訊作者，萬震松擔任第一作者。

論文一經(jīng)發(fā)表，受到了廣泛關注，被 1965 年創(chuàng)刊的國際激光行業(yè)著名雜志 Laser Focus World 專題報道。

據(jù)介紹，光通信領域的容量提升依賴于對光的多個自由度的開發(fā)和利用。近年來，光的強度、頻率、偏振、相位等多個物理維度的開發(fā)已接近極限。為應對“容量危機”的挑戰(zhàn)，具有新型空間自由度的結構光束也加入了“戰(zhàn)團”，尤其是帶有 OAM 的渦旋光。

相比于成熟的偏振復用只有兩個維度的特點，理論上基于 OAM 的模分復用通信有無窮多個維度可以利用。然而現(xiàn)實很骨感，發(fā)散角隨著模式通道增多而迅速變大。每增加一個模式通道，接收端的口徑就會變大一圈。模式一多，口徑就由碗口大小增至磨盤大小。

“靈魂三問”：如何產生?如何識別?如何應用?

這項研究的核心是一類新型結構光“幾何模”，它具有“波跡二象性”。如圖 1 所示：除了普通光束所具有的波動性，例如干涉、衍射等行為之外，還具有令人驚嘆的幾何軌跡性，即波包截面及其傳輸軌跡，與經(jīng)典幾何射線簇相互耦合，因而被稱為幾何模。

它的物理本質是量子相干態(tài)的經(jīng)典對應，在數(shù)學上被表征為：頻率簡并的本征模式的線性組合。付星說：“我們被幾何模深深吸引，對它發(fā)出了‘靈魂三問’：如何產生?如何識別?如何應用?”

要知道，此前產生幾何模的方法完全依賴激光諧振腔，需要嚴格、精細地調節(jié)腔長、腔鏡曲率、泵浦離軸量等腔參數(shù)，以滿足頻率簡并態(tài)的苛刻條件。不僅操作非常復雜，而且各模式之間無法靈活切換。

再加上受到激光腔的物理限制，幾何模的相當一部分參數(shù)無法覆蓋到。這一技術桎梏嚴重制約了幾何模的發(fā)展，也讓幾何模的識別和應用基本處于研究空白。對此，該團隊另辟蹊徑，探索出了一條數(shù)字化調控幾何模的全新技術路線，做出了系列化的特色工作。

對于第一個難題也就是幾何模的產生，課題組在 2020 年提出了基于廣義三維波包軌跡耦合模型的數(shù)字化產生和調控方法，目前已獲得國家發(fā)明專利授權，該方法可為每個幾何模“量身打造”全息圖。

當一束普通激光也就是基模高斯光束，照射到對應的全息圖，即可轉換為所需要的任意幾何模式。而通過調制器高速刷新全息圖，則能實現(xiàn)大容量信息編碼。

該方法邁出了關鍵的一步，繞過了傳統(tǒng)諧振腔技術難以逾越的障礙，充分展現(xiàn)了按需定制、全域調諧、結構簡單、靈活便捷的優(yōu)勢，讓此次論文提出的“幾何模作為高維光通信載體”的構想，從技術上的不可能成為可能。

第二個難題即幾何模的識別，正是發(fā)起本論文研究的最初目標。此前的識別方法，主要針對具有單一或簡單相位奇點分布的結構光束，不適用于具有復雜相位的幾何模。

“如圖 2 所示，我們逆向思考，將上述數(shù)字化產生幾何模的過程反轉，即共軛調制，這意味著幾何模只有經(jīng)過那張‘特制’的全息圖，才能聚焦成一個實心圓點也就是基模光束，從而成功實現(xiàn)了對各種幾何模的識別?！钡谝蛔髡呷f震松博士表示。

德國一所大學和美國一所大學的科學家們成功通過多太赫茲脈沖技術表征拓撲超導體的新方法，這開辟了一條明確識別預測的奇異物質狀態(tài)的途徑，未來，這項技術可以幫助制造攜帶或者處理量子信息的設備和新型材料。

世界各地的科學家正在努力構建基于固態(tài)物質的可擴展量子計算機，拓撲超導體就是這樣一類材料。它們被認為是一種特殊的集體量子態(tài)，即在邊界處以Majoranas形式存在的非阿貝爾任意子。通過在量子線網(wǎng)絡中攪亂這些準粒子，科學家們可以構建邏輯量子門，量子計算機的構建塊

在本次研究的論文中，科學家們討論的不是設備邊界處的Majoranas，由于體邊界對應，Majoranas與超導體體帶結構的拓撲結構密切相關，在某種意義上材料中的粒子激發(fā)效應在邊界處經(jīng)歷了扭曲。這種強相互作用可以通過二維太赫茲光譜來研究，這是一種廣泛用于分子和體物質的技術。

“與線性吸收光譜不同，非線性多脈沖實驗使我們能夠研究激發(fā)粒子的光學響應，從而有助于清楚地揭示這種扭曲，并在二維光譜中具有奇異拓撲狀態(tài)的獨特特征?！钡聡目茖W家說道?！拔覀兊难芯吭跈z測Majoranas最基本但尚未完全表征的特性和以Majorana態(tài)編織形式用非阿貝爾任意子演示邏輯門操作之間邁出了重要一步。這種光學技術產生了超越成像的光譜信息，并允許對拓撲材料進行毫無疑問的表征。因此，它們會為其在量子技術中的應用中搭建一座堅實的橋梁?！泵绹目茖W家說道。