假想有這樣一種場(chǎng)景，悠閑的午后，兩個(gè)姑娘坐在咖啡館里收到了同一份加密全息數(shù)據(jù)，然而利用不同的“光鑰”解碼，一人在看演唱會(huì)，另一人眼前呈現(xiàn)的是一場(chǎng)電影的全息影像。

    比科幻大片里的場(chǎng)景還更進(jìn)了一步！上海理工大學(xué)人工智能納米光子學(xué)研究中心顧敏教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)造性地利用具有“螺旋”特性的軌道角動(dòng)量光束作為光學(xué)全息過(guò)程中的信息載體，實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)超寬帶的光學(xué)全息過(guò)程，為大數(shù)據(jù)信息時(shí)代提供了大容量全息術(shù)。他們研發(fā)的軌道角動(dòng)量全息技術(shù)，不僅顛覆了全息影像的傳輸方式，更是為傳輸過(guò)程設(shè)置了“信息安全”的保護(hù)屏障，使得這樣酷炫的場(chǎng)景可以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

日前，相關(guān)研究成果以長(zhǎng)文形式發(fā)表在世界光學(xué)頂尖期刊《自然-光子學(xué)》上。

能夠?qū)D片信息存儲(chǔ)能力提高100倍

    對(duì)于傳統(tǒng)全息顯示技術(shù)而言，一張平面全息圖往往只能記錄一張圖片，然而隨著信息時(shí)代的快速發(fā)展，我們需要利用相同的內(nèi)存來(lái)記錄下更多的圖片。利用最新發(fā)現(xiàn)的軌道角動(dòng)量全息技術(shù)，相同的內(nèi)存能夠?qū)D片信息存儲(chǔ)能力提高100倍，為下一代大容量全息技術(shù)打下基礎(chǔ)。

    這是近年來(lái)中國(guó)科研人員在該刊發(fā)表的唯一一篇全息信息安全技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)文，上海理工大學(xué)人工智能納米光子學(xué)研究中心顧敏教授是該論文通訊作者，上理工光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院特聘研究員方心遠(yuǎn)博士為第一作者。

    據(jù)方心遠(yuǎn)介紹：“傳統(tǒng)全息顯示技術(shù)中，只有通過(guò)增加信號(hào)源的方法提升信息通道的數(shù)目以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的顯示效果，往往出現(xiàn)‘帶寬不夠’‘分辨率不高’等情況。而我們發(fā)現(xiàn)，‘螺旋程度’不同的軌道角動(dòng)量光對(duì)應(yīng)了同一信號(hào)源不同的信息通道，結(jié)合納米光子學(xué)技術(shù)，僅僅利用一個(gè)納米級(jí)的信號(hào)源便可以實(shí)現(xiàn)超寬帶的全息顯示效果。這就可以為大眾提供更優(yōu)質(zhì)的信息記錄手段和出色的視覺(jué)體驗(yàn)。”

    而在顧敏看來(lái)，這只是該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一，它的“硬實(shí)力”還在于創(chuàng)造性地為全息技術(shù)加裝一把安全“鎖”。“傳統(tǒng)意義上，一把全息‘鎖’只有一種解碼方式，而我們的研究把‘螺旋光’配成多把‘鑰匙’，可以將同一把全息‘鎖’解碼出不同的信息，收信人根據(jù)手里的‘光鑰’解讀出只有他自己才能看到的最終信息，這就保護(hù)了信息傳遞的安全性。”

在人工智能、三維顯示等領(lǐng)域大有可為

 全息技術(shù)本身就是數(shù)據(jù)并行處理的一種重要信息處理手段，而軌道角動(dòng)量全息技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于增加了帶寬，使用軌道角動(dòng)量全息技術(shù)，能夠讓更多信息記錄在一組數(shù)據(jù)當(dāng)中。

    微軟前段時(shí)間利用三維體全息的思路，在玻璃上記錄下可以保存幾百年的數(shù)據(jù)。早在2013年，顧敏院士課題組利用雙光束超分辨原理突破了光學(xué)衍射極限，獲得9納米加工特征尺寸的世界紀(jì)錄。加工尺度越小，一張芯片的容量可以越大，芯片的價(jià)值也就越高。

    而方心遠(yuǎn)告訴記者：“利用我們的技術(shù)，可以在二維平面上記錄完全基于全光學(xué)方式讀出的數(shù)據(jù)，這樣一來(lái)，加工過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，讀取數(shù)據(jù)也更加節(jié)能，這是目前全世界唯一能實(shí)現(xiàn)這一效果的手段。”

    顧敏院士說(shuō)：“軌道角動(dòng)量全息技術(shù)在人工智能、三維顯示、數(shù)字全息顯微技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椤４送猓€可以將其應(yīng)用在量子光學(xué)領(lǐng)域，為信息交互過(guò)程提供前所未有的安全保障。”

源于一份“不可能”完成的作業(yè)

    機(jī)遇總是不期而遇，這樣的突破源于一份“不可能”完成的作業(yè)，也像一個(gè)現(xiàn)代版伯樂(lè)與千里馬的故事。

    去年，尚在讀博的方心遠(yuǎn)剛好看到顧敏院士課題組在《科學(xué)》發(fā)表的一篇前沿文章，就試著聯(lián)系顧敏，并取得了與世界頂級(jí)團(tuán)隊(duì)短期交流的機(jī)會(huì)。

    加入團(tuán)隊(duì)后，顧敏給了方心遠(yuǎn)一個(gè)命題作業(yè)，“螺旋光束能不能在全息場(chǎng)景下攜帶信息？”這是顧敏腦海中一直在琢磨的課題。然而方心遠(yuǎn)經(jīng)過(guò)兩周的苦思冥想，卻不得不給老師這樣的答復(fù)：“這不可能。”原來(lái)，這一課題按照現(xiàn)有的原理來(lái)推算的話，是根本不可能實(shí)現(xiàn)的一種假設(shè)，就好像是一道數(shù)學(xué)題，雖給出了“答案”卻根本沒(méi)有“推導(dǎo)過(guò)程”。

“要不試試，讓布拉格衍射定律在傅里葉空間延伸？”一個(gè)月后，方心遠(yuǎn)竟然打破了自己的結(jié)論，創(chuàng)造性地將物理學(xué)與數(shù)學(xué)理論結(jié)合，有了新的靈感。最終，僅僅耗時(shí)9個(gè)月，這份“不可能”的作業(yè)就被方心遠(yuǎn)攻破了，這個(gè)想要做“高水平科研”的年輕學(xué)者讓只有9%命中率的頂尖科研雜志里有了他的名字，而且是8個(gè)版面無(wú)刪減的長(zhǎng)文。在他看來(lái)，這一切都得益于顧敏的那份“作業(yè)”，現(xiàn)在，他已經(jīng)全職加入顧敏的團(tuán)隊(duì)，把這份“作業(yè)”繼續(xù)做下去，要在光學(xué)領(lǐng)域做深做實(shí)。