6G超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)：即時(shí)、高效和智能的超連接來(lái)重塑世界

6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將通信的領(lǐng)域邊界從物理世界進(jìn)一步拓展至數(shù)字世界，通過(guò)在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時(shí)、高效和智能的超連接來(lái)重塑世界，這一趨勢(shì)將開(kāi)啟移動(dòng)通信的新篇章。6G網(wǎng)絡(luò)超大規(guī)模的全局性連接將給網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，亟待革命性的理論和技術(shù)創(chuàng)新。

人類(lèi)社會(huì)正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命，其推動(dòng)力主要源于萬(wàn)物數(shù)字化、信息通信技術(shù)(ICT)以及人工智能(AI)技術(shù)等的融合創(chuàng)新。其中，信息通信技術(shù)在人類(lèi)社會(huì)邁向數(shù)字智能新階段的演進(jìn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。第五代(the fifth generation, 5G)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)有機(jī)融合泛在的通信、計(jì)算和控制(ubiquitous communication, computing, and control, UC3)能力，為人、機(jī)、物的互聯(lián)開(kāi)辟了全新范式。 第六代(the sixth generation, 6G)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將通信的領(lǐng)域邊界從物理世界進(jìn)一步拓展至數(shù)字世界，通過(guò)在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時(shí)、高效和智能的超連接來(lái)重塑世界，這一趨勢(shì)將開(kāi)啟移動(dòng)通信的新篇章。

基于上述討論，為了邁向“智慧演化和原生簡(jiǎn)約”的“智簡(jiǎn)”網(wǎng)絡(luò)(wisdom-evolutionary and primitive-concise Network, WePCN)，我們引入了一個(gè)智能高效的語(yǔ)義通信(IE-SC)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的智能水平，使網(wǎng)絡(luò)變得更加高效和簡(jiǎn)約。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念主要是通過(guò)資源堆疊來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)能力，如更多的頻譜資源及計(jì)算資源、更密集的接入點(diǎn)和更大規(guī)模的天線等。這種堆疊式網(wǎng)絡(luò)性能提升的代價(jià)是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的極速提高。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不同，我們期望通過(guò)源于網(wǎng)絡(luò)原生智慧累積的簡(jiǎn)約通信來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)能力。具體而言， IE-SC架構(gòu)的核心是SI平面，它實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義環(huán)境表征、背景知識(shí)管理、語(yǔ)義推理和決策等。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)語(yǔ)義賦能的全新抽象協(xié)議層——語(yǔ)義賦能的物理承載(semantic-empowered physical-bearing, S-PB)層、語(yǔ)義賦能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(semantic-empowered network protocol, S-NP)層和語(yǔ)義賦能的應(yīng)用意圖(semantic-empowered application-intent, S-AI)層，它們能夠重塑現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。SI平面通過(guò)語(yǔ)義信息流(semantic information flow , S-IF)協(xié)調(diào)這三個(gè)語(yǔ)義協(xié)議層，其中S-IF承載著應(yīng)用意圖和語(yǔ)義信息在全網(wǎng)流轉(zhuǎn)。

在收到S-IF后，S-NP層可以編排與意圖相關(guān)的語(yǔ)義，產(chǎn)生靈活而簡(jiǎn)約的協(xié)議。S-PB層采用合適的語(yǔ)義-語(yǔ)法聯(lián)合編碼策略來(lái)承接S-NP層，提高物理資源利用率及意圖達(dá)成效率。通過(guò)IE-SC架構(gòu)，Ubiquitous-X 6G網(wǎng)絡(luò)所面臨的高復(fù)雜度問(wèn)題有望得到解決。不僅如此，IE-SC架構(gòu)還有望全面提升網(wǎng)絡(luò)能力以實(shí)現(xiàn)WePCN愿景——構(gòu)建有序、高效、智能的Ubiquitous-X網(wǎng)絡(luò)以支持未來(lái)應(yīng)用和服務(wù)。

“該成果在自由光通信領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，對(duì)于下一代 6G 通信的超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用潛力。未來(lái)還可用于星間、星地通信鏈路。審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)，‘該研究非常有趣，對(duì)于新型光場(chǎng)作為高維信息載體的應(yīng)用來(lái)說(shuō)堪稱(chēng)奠基性的工作，將對(duì)光通信領(lǐng)域帶來(lái)巨大的效益。’”清華大學(xué)精儀系激光與光子技術(shù)研究所副教授付星表示。

近日，他所在的先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)，對(duì)下一代大容量密集編碼自由光通信應(yīng)用開(kāi)展了前沿探索，采用共軛調(diào)制方法巧妙實(shí)現(xiàn)了信息解復(fù)用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)很好地支撐了理論假設(shè)，結(jié)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(dòng)量(OAM，Orbital Angular Momentum)光束高維通信的優(yōu)勢(shì)。

日前，相關(guān)論文以《面向未來(lái)超大容量、低誤碼率光通信的發(fā)散簡(jiǎn)并空間復(fù)用技術(shù)》(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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人清華大學(xué)精儀系系主任柳強(qiáng)擔(dān)任共同通訊作者，萬(wàn)震松擔(dān)任第一作者。

論文一經(jīng)發(fā)表，受到了廣泛關(guān)注，被 1965 年創(chuàng)刊的國(guó)際激光行業(yè)著名雜志 Laser Focus World 專(zhuān)題報(bào)道。

據(jù)介紹，光通信領(lǐng)域的容量提升依賴于對(duì)光的多個(gè)自由度的開(kāi)發(fā)和利用。近年來(lái)，光的強(qiáng)度、頻率、偏振、相位等多個(gè)物理維度的開(kāi)發(fā)已接近極限。為應(yīng)對(duì)“容量危機(jī)”的挑戰(zhàn)，具有新型空間自由度的結(jié)構(gòu)光束也加入了“戰(zhàn)團(tuán)”，尤其是帶有 OAM 的渦旋光。

相比于成熟的偏振復(fù)用只有兩個(gè)維度的特點(diǎn)，理論上基于 OAM 的模分復(fù)用通信有無(wú)窮多個(gè)維度可以利用。然而現(xiàn)實(shí)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(gè)模式通道，接收端的口徑就會(huì)變大一圈。模式一多，口徑就由碗口大小增至磨盤(pán)大小。

“靈魂三問(wèn)”：如何產(chǎn)生?如何識(shí)別?如何應(yīng)用?

這項(xiàng)研究的核心是一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)光“幾何?！?，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(dòng)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(chēng)為幾何模。

它的物理本質(zhì)是量子相干態(tài)的經(jīng)典對(duì)應(yīng)，在數(shù)學(xué)上被表征為：頻率簡(jiǎn)并的本征模式的線性組合。付星說(shuō)：“我們被幾何模深深吸引，對(duì)它發(fā)出了‘靈魂三問(wèn)’：如何產(chǎn)生?如何識(shí)別?如何應(yīng)用?”

要知道，此前產(chǎn)生幾何模的方法完全依賴激光諧振腔，需要嚴(yán)格、精細(xì)地調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)、腔鏡曲率、泵浦離軸量等腔參數(shù)，以滿足頻率簡(jiǎn)并態(tài)的苛刻條件。不僅操作非常復(fù)雜，而且各模式之間無(wú)法靈活切換。

再加上受到激光腔的物理限制，幾何模的相當(dāng)一部分參數(shù)無(wú)法覆蓋到。這一技術(shù)桎梏嚴(yán)重制約了幾何模的發(fā)展，也讓幾何模的識(shí)別和應(yīng)用基本處于研究空白。對(duì)此，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，探索出了一條數(shù)字化調(diào)控幾何模的全新技術(shù)路線，做出了系列化的特色工作。

對(duì)于第一個(gè)難題也就是幾何模的產(chǎn)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(chǎn)生和調(diào)控方法，目前已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，該方法可為每個(gè)幾何模“量身打造”全息圖。

當(dāng)一束普通激光也就是基模高斯光束，照射到對(duì)應(yīng)的全息圖，即可轉(zhuǎn)換為所需要的任意幾何模式。而通過(guò)調(diào)制器高速刷新全息圖，則能實(shí)現(xiàn)大容量信息編碼。

該方法邁出了關(guān)鍵的一步，繞過(guò)了傳統(tǒng)諧振腔技術(shù)難以逾越的障礙，充分展現(xiàn)了按需定制、全域調(diào)諧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活便捷的優(yōu)勢(shì)，讓此次論文提出的“幾何模作為高維光通信載體”的構(gòu)想，從技術(shù)上的不可能成為可能。

第二個(gè)難題即幾何模的識(shí)別，正是發(fā)起本論文研究的最初目標(biāo)。此前的識(shí)別方法，主要針對(duì)具有單一或簡(jiǎn)單相位奇點(diǎn)分布的結(jié)構(gòu)光束，不適用于具有復(fù)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(chǎn)生幾何模的過(guò)程反轉(zhuǎn)，即共軛調(diào)制，這意味著幾何模只有經(jīng)過(guò)那張‘特制’的全息圖，才能聚焦成一個(gè)實(shí)心圓點(diǎn)也就是基模光束，從而成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種幾何模的識(shí)別。”第一作者萬(wàn)震松博士表示。

德國(guó)一所大學(xué)和美國(guó)一所大學(xué)的科學(xué)家們成功通過(guò)多太赫茲脈沖技術(shù)表征拓?fù)涑瑢?dǎo)體的新方法，這開(kāi)辟了一條明確識(shí)別預(yù)測(cè)的奇異物質(zhì)狀態(tài)的途徑，未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助制造攜帶或者處理量子信息的設(shè)備和新型材料。

世界各地的科學(xué)家正在努力構(gòu)建基于固態(tài)物質(zhì)的可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)，拓?fù)涑瑢?dǎo)體就是這樣一類(lèi)材料。它們被認(rèn)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(guò)在量子線網(wǎng)絡(luò)中攪亂這些準(zhǔn)粒子，科學(xué)家們可以構(gòu)建邏輯量子門(mén)，量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊

在本次研究的論文中，科學(xué)家們討論的不是設(shè)備邊界處的Majoranas，由于體邊界對(duì)應(yīng)，Majoranas與超導(dǎo)體體帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在某種意義上材料中的粒子激發(fā)效應(yīng)在邊界處經(jīng)歷了扭曲。這種強(qiáng)相互作用可以通過(guò)二維太赫茲光譜來(lái)研究，這是一種廣泛用于分子和體物質(zhì)的技術(shù)。

“與線性吸收光譜不同，非線性多脈沖實(shí)驗(yàn)使我們能夠研究激發(fā)粒子的光學(xué)響應(yīng)，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?fù)錉顟B(tài)的獨(dú)特特征。”德國(guó)的科學(xué)家說(shuō)道。“我們的研究在檢測(cè)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(mén)操作之間邁出了重要一步。這種光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了超越成像的光譜信息，并允許對(duì)拓?fù)洳牧线M(jìn)行毫無(wú)疑問(wèn)的表征。因此，它們會(huì)為其在量子技術(shù)中的應(yīng)用中搭建一座堅(jiān)實(shí)的橋梁?！泵绹?guó)的科學(xué)家說(shuō)道。