厲害了！物理學(xué)家利用曲折光線成功傳送“Hello world”信息

北京時(shí)間12月1日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，我們?cè)诖螂娫捇蛏暇W(wǎng)時(shí)，每秒鐘都有數(shù)十億比特的數(shù)據(jù)通過光纖進(jìn)行傳播。近期一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)顯示，我們或許能“彎折”光波，從而增加傳播數(shù)據(jù)的數(shù)量和距離。在該實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家利用彎折后的激光，將“世界你好”(Hello World)這條消息從一座島上傳送到了另一座島上。

該研究團(tuán)隊(duì)在兩座小島上的天文臺(tái)之間用一道綠色的激光束傳遞了信息，結(jié)果接收器成功收到了信號(hào)，還能分析出研究人員改變了哪些角動(dòng)量。

彎折的光子

人類早就利用光波進(jìn)行通訊了。無(wú)線電就是光的一種形式，激光在光纖中也十分常見。我們可以利用光波的振幅(如AM廣播)或頻率(如FM廣播)、甚至光波的相位和偏振現(xiàn)象傳遞信息。

此前，我們只能將信息編入光波的上述四種屬性中(又稱自由度)，這限制了我們利用光子傳遞的信息量。而維也納大學(xué)一支由各國(guó)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)希望能將信息編入光波的第五種屬性中，也就是光波的角動(dòng)量，從而大大增加信息傳輸?shù)木嚯x。他們?cè)诩蛹{利群島上的兩座天文臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，距離約為142公里。

雖然聽起來(lái)有悖于常理，但光的確是有角動(dòng)量的。這是因?yàn)闃?gòu)成光的光子其實(shí)會(huì)發(fā)生彎折，還會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)若干次。近年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)找到了一些增加光子彎折次數(shù)的方法，從而改變光的角動(dòng)量。

“增加了一個(gè)自由度之后，光的波長(zhǎng)仍與原來(lái)相同，但通過引入因數(shù)n，我們便大大增加了傳播的信息量。”維也納大學(xué)博士生、此次研究的主要作者馬利奧·克萊恩(Mario Krenn)指出。這里“n”指的是光波角動(dòng)量的“模”數(shù)(modes)，并且只能是整數(shù)。假設(shè)傳播信息時(shí)所用的模數(shù)為5，利用了10條波長(zhǎng)通道，那么傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就可以達(dá)到原先10條波長(zhǎng)通道所傳輸?shù)?倍。

從照片中可以看出(圖片顏色不準(zhǔn)確)，當(dāng)放大兩倍之后，光波看上去驚人地復(fù)雜

光的傳播

通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)一束激光擊中空白的屏幕時(shí)，顯示出的會(huì)是一個(gè)光環(huán)。研究人員利用計(jì)算機(jī)將角動(dòng)量按不同的方式重疊在一起，從而在光波中編入了可供解讀的信息。通過這種方法，研究人員合成了一條可解讀為“世界你好”的信息。

不過，能夠解讀出信息僅僅是該實(shí)驗(yàn)的一部分。接下來(lái)，科學(xué)家還需要將信息傳輸?shù)狡渌胤健４饲?，大多?shù)科學(xué)家都認(rèn)為光子無(wú)法在大氣中傳播信息，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為角動(dòng)量很容易被光的折射率所影響，而氣壓和空氣濕度都會(huì)使折射率發(fā)生改變。但他們錯(cuò)了。該研究團(tuán)隊(duì)在兩座小島上的天文臺(tái)之間用一道綠色的激光束傳遞了信息，結(jié)果接收器成功收到了信號(hào)，還能分析出研究人員改變了哪些角動(dòng)量。“傳播距離能超過3公里，我們就已經(jīng)很吃驚了。”克萊恩表示。

但科學(xué)家還不清楚信息為何能成功傳播，可能是因?yàn)榇饲暗募僭O(shè)本身就是錯(cuò)誤的，空氣并不會(huì)對(duì)此類傳播方式造成干擾。

此次實(shí)驗(yàn)取得圓滿成功，今后人們將開展更多的研究工作，逐漸將該技術(shù)運(yùn)用于信息通訊中?？巳R恩指出，實(shí)驗(yàn)中采用的發(fā)送器和接收器其實(shí)都很簡(jiǎn)單，最復(fù)雜的要數(shù)對(duì)信號(hào)的處理，不過這也可以通過常見的數(shù)學(xué)手段來(lái)解決。