我国已成功研发出世界首个超宽带光学全息技术

斑斓的光为我们带来美妙的审美，也成为了信息的载体。不同颜色和各方向的光波震动姿态成为一条条搭载信息的通路。然而随着数据的增加，为了获得更快的传输效率和更好的显示效果，传统全息显示技术增加信号源的方法常常出现“宽带不够”“分辨率不高”等情况。

而在光纤通信的高速路上，上海的科研团队打通了新通道。近日，由中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院与工程院院士、国际光学丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）奖获得者、上海理工大学人工智能纳米光子学研究中心顾敏教授领衔的科研团队，创造性地利用具有“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，实现了世界上首个超宽带的光学全息过程，为大数据信息时代提供了大容量全息术。

“我们发现，轨道角动量光不同的‘螺旋程度’能对应同一信号源的不同信息通道。结合纳米光子学技术，利用一个纳米级的信号源就可实现超宽带的全息显示效果，相同的内存能够将图片信息存储能力提高100倍。”此项研究的第一作者，上理工光电信息与计算机工程学院特聘研究员方心远博士说。

这项技术还有另一项“硬实力”——创造性地为全息技术加装一把安全“锁”。通讯作者、顾敏院士解释说：“传统意义上，一把全息‘锁’只有一种解码方式，而我们把‘螺旋光’配成多把‘钥匙’，收信人根据手中‘光钥’解读出只有自己能看到的最终信息。”这意味着，这种加密技术能够使得同一份全息数根据不同收件人手中密钥呈现不同画面。

这项研究实际上是利用了激光的涡旋姿态，这个比颜色、震动更复杂的光之特性其实一直是各国科学家在光通信方面关注的突破点。但不同转速的涡旋光经过透镜后呈现无数同心圆环，但这些只有微米、纳米大小的痕迹肉眼根本无法定位，更难研究其规律。方心远博士加盟团队后接到了顾敏院士关于“螺旋光束能否在全息场景携带信息”的命题作业，这位年轻的研究者是如何完成这题“几乎无法推导”的科学命题，实现这项0-1的突破的？

在顾敏院士看来，创新能力的核心于找到科学探究的创新方法。“纳米光学的发展确实令我们现在可以以更微观的尺度调控光，终于能够‘看清’那些涡旋痕迹。另一个关键也在于，方博士把获取的涡旋光数据置于傅立叶空间来演算，等于将光在数学定义的空间中研究。这个方法不仅获得一个清晰简单的视角来研究复杂叠加的光，完成演算推导。更妙的是能够使之从数学世界还原回真实世界，以实验论证。”

该研究以8版无删节长文的形式发表在世界光学顶尖期刊《自然-光子学》上，这也是近年来中国科研人员在该刊发表的唯一一篇全息信息安全技术领域长文。

提及未来应用，顾敏院士介绍说，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、人工神经网络等多种领域大有可为，此外，还可以应用在量子光学领域，为信息交互过程提供前所未有的安全保障。他举例说，新技术能够在原来一个比特的存储空间中划分出更多空间，让1比特能够有8个比特甚至16个比特的能力。

除了高水平论文发表，就在这两天，上理工AOD407人工智能纳米光子学实验室也完成建设验收，团队也有了二十多位成员，这些都是顾敏院士今年辞去皇家墨尔本理工大学副校长职务，全职加入上理工之后的重要工作。此番回归，这位出生于青浦朱家角的上海科学家要把信息光学赋能人工智能，要实现更绿色、更安全、更快的人工智能2.0。