厲害了！物理學家利用曲折光線成功傳送“Hello world”信息

北京時間12月1日消息，據(jù)國外媒體報道，我們在打電話或上網(wǎng)時，每秒鐘都有數(shù)十億比特的數(shù)據(jù)通過光纖進行傳播。近期一項實驗顯示，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。在該實驗中，物理學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。

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該研究團隊在兩座小島上的天文臺之間用一道綠色的激光束傳遞了信息，結果接收器成功收到了信號，還能分析出研究人員改變了哪些角動量。

彎折的光子

人類早就利用光波進行通訊了。無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。而維也納大學一支由各國科學家組成的研究團隊希望能將信息編入光波的第五種屬性中，也就是光波的角動量，從而大大增加信息傳輸?shù)木嚯x。他們在加納利群島上的兩座天文臺之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，距離約為142公里。

雖然聽起來有悖于常理，但光的確是有角動量的。這是因為構成光的光子其實會發(fā)生彎折，還會轉動若干次。近年來，科學家已經找到了一些增加光子彎折次數(shù)的方法，從而改變光的角動量。

“增加了一個自由度之后，光的波長仍與原來相同，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”指的是光波角動量的“模”數(shù)(modes)，并且只能是整數(shù)。假設傳播信息時所用的模數(shù)為5，利用了10條波長通道，那么傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就可以達到原先10條波長通道所傳輸?shù)?倍。

從照片中可以看出(圖片顏色不準確)，當放大兩倍之后，光波看上去驚人地復雜

光的傳播

通常來說，當一束激光擊中空白的屏幕時，顯示出的會是一個光環(huán)。研究人員利用計算機將角動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驗的一部分。接下來，科學家還需要將信息傳輸?shù)狡渌胤?。此前，大多?shù)科學家都認為光子無法在大氣中傳播信息，因為他們認為角動量很容易被光的折射率所影響，而氣壓和空氣濕度都會使折射率發(fā)生改變。但他們錯了。該研究團隊在兩座小島上的天文臺之間用一道綠色的激光束傳遞了信息，結果接收器成功收到了信號，還能分析出研究人員改變了哪些角動量?！皞鞑ゾ嚯x能超過3公里，我們就已經很吃驚了?！笨巳R恩表示。

但科學家還不清楚信息為何能成功傳播，可能是因為此前的假設本身就是錯誤的，空氣并不會對此類傳播方式造成干擾。

此次實驗取得圓滿成功，今后人們將開展更多的研究工作，逐漸將該技術運用于信息通訊中?？巳R恩指出，實驗中采用的發(fā)送器和接收器其實都很簡單，最復雜的要數(shù)對信號的處理，不過這也可以通過常見的數(shù)學手段來解決。