螺旋“光钥”解码全息“锁”，打开专属信息 “门”

　　刘思江 科技日报记者 王春

　　假想有这样一种场景，当你和朋友们收到了同一份加密全息数据，然而通过不同的“光钥”解码，你的眼前呈现的是周杰伦在唱《说好不哭》，朋友呈现的是易烊千玺在跳街舞。或许有人会说，别逗了，能展现全息画面就不错了。然而，有这样一支科研团队，他们研发了轨道角动量全息技术，不仅颠覆了全息影像的传输方式，更为传输过程设置了“信息安全”的保护屏障，使得这样酷炫的场景可以变为现实。

　　北京时间12月10日凌晨，中国工程院外籍院士、上海理工大学人工智能纳米光子学研究中心负责人顾敏团队的“轨道角动量全息技术”相关研究成果以8页长文形式发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上，团队的方心远博士为第一作者。

　　该技术利用具有“螺旋”特性的轨道角动量光束作为光学全息过程中的信息载体，实现了超宽带的光学全息信息传递过程，并把“螺旋光”配成多把“钥匙”，为信息传递设置了只有接收人才可打开的专属信息安全“门”。据了解，这是近年来中国科研人员在该刊发表的唯一一篇纳米光子学信息安全领域长文，也是“螺旋光”首次在全息场景的成功理论探索。

　　装上安全“锁”，实现超宽带

　　随着信息时代的快速发展，我们产生的数据信息越来越多，同时又希望能够用有限的内存记录下更多的信息。对于传统全息显示技术而言，只能通过增加信号源、提升信息通道的数目来实现更复杂的显示效果，但 “带宽不够用”、“分辨率不高”等情况也伴随出现。

　　“拥有不同轨道角动量的光束在空间中以各种各样的‘螺旋姿态’前进，我们通过对轨道角动量光束空间频谱面的分析，拓展了传统全息中的取样定理，使轨道角动量光束成为全息过程的信息载体。”方心远进一步解释，“螺旋程度”不同的轨道角动量光对应了同一信号源不同的信息通道，结合纳米光子学技术，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。“相同内存下图片信息存储能力可提高100倍。”

　　轨道角动量全息技术示意图

　　事实上，轨道角动量光的不同“螺旋程度”、不同角度、不同光色、波长等可以组合出无限种“姿态”，也就意味着，通过该技术，信息通路可以无限增加，相同内存下信息存储能力也不仅仅限于目前研究的100倍。同时，不同“姿态”对应着不同信息通路的门锁，只有知道入射光束的螺旋“姿态”，才能够成功解码出锁中的全息信息，很大程度上保障了信息传递的安全性。

　　未来轨道角动量全息技术将在人工智能、三维显示、数字全息显微技术、数据存储、人工神经网络等多个领域大有可为，还可为信息交互过程提供强有力的安全保障。

　　突破源于一份命题作业

　　2018年，尚在读博的方心远在科研上已小有成就，做“高水平科研”是他下一个科研追求。那时候，他刚好看到顾敏院士课题组在《科学》杂志发表的一篇前沿文章，就试着与这支世界级的顶尖团队取得了联系。不久后，方心远加入了这支团队，带着顾敏给出的命题作业——螺旋光束能否在全息场景下携带信息，开始了新的尝试与探索。

　　顾敏在实验室（上海理工大学供图）

　　据了解，顾敏曾是国际光学Dennis Gabor奖获得者，几年前，还在皇家墨尔本理工大学人工智能纳米光子学实验室担任负责人顾敏就开始了对“螺旋光”的研究，“以高容量的光束准确地传输数据，从而大幅增加带宽”是他一职关注的课题。此次方心远登上《自然-光子学》的相关研究则是“螺旋光”针对全息场景应用的理论技术突破，可以解决全息信息的记录、存储、解码等问题。

　　起初，方心远认为这是一份“不可能”完成的作业。“按照现有原理来推算的话，这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’。”苦苦探索一个月后，方心远在傅里叶空间里看到了新的可能——让布拉格衍射定律在傅里叶空间延伸。有了新的灵感，最终仅耗时9个月，这份“不可能”的作业就被方心远攻破了，这个想要做“高水平科研”的年轻学者让只有9%命中率的顶尖科研杂志里有了他的名字，且是占据8个版面的无删减长文。“我已经全职加入顾敏院士的团队，想要把这份‘作业’继续做下去，在光学领域做深做实。”