扭曲电磁波提升通信容量

瑞典空间物理研究所Bo Thide教授和其意大利同事小组最近在意大利威尼斯的泻湖开展了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。研究人员说，他们将实验地点特意选在400年前伽利略首次在威尼斯向权威们演示望远镜的地方，是因为他们在某种程度上也感受到了当年伽利略所面临的困惑：团体或圈子内的人不相信他们的想法，所以他们决定向公众演示他们的实验结果。

这项工作3月2日发表在New Journal of Physics杂志上。在这项工作中，他们证明，通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率（实际上是一个频带）传输多路信息，而通常情况下，同一频率只能传输一路信息。这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量（带宽）。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信带宽拥塞问题提供了一个全新的解决方案。随着近几年电信业务的迅速增长，无线频谱已变得难以置信的拥挤，新的信号传输方式几乎没有余地了，或者说现有的方式已很难扩充通信带宽。瑞典空间物理研究所Thide教授和其意大利同事小组工作的意义在于发展了一种全新的物理机制，实现同一频带能够承载更大的传输容量。

Thide教授发展的技术，其物理机制的核心在于电磁波的轨道和自旋角动量的差别。关于自旋和轨道角动量，可用地球-太阳系作一类比。地球绕它自身的轴旋转，表现出它有自旋角动量；同时它也绕太阳转动，表现出轨道角动量。光的“粒子”叫光子，可以携带自旋和轨道两类角动量。光子的自旋角动量与光的偏振相关，众所周知，一些太阳镜和3-D眼镜用到了光子的自旋角动量或偏振概念。正如3-D眼镜的左眼和右眼“信号”可以利用光的不同偏振编码到光上，同样，利用光子的不同轨道角动量也可搭载更多的信号。让电磁波有轨道角动量或扭曲电磁波很容易做到，就像扭曲一个传送信号的盘子一样简单。Thide团队就是这样扭曲电磁波的，他们将一个标准的卫星接收天线盘的一侧开个口子，再将两边错开，这样，电磁波束周围的不同点相对于其他点就有了不同的波前。如果想象将这束电磁波冻结并图像化，它看起来就像一个螺丝锥。

其实，Thide教授和其同事多年来一直在致力于探索这个问题，去年他们在Nature Physics杂志报道了他们在实验室的研究结果，证明旋转黑洞可以产生“扭曲的”光，nature网站当时为此发表评论，说扭曲电磁波有可能带来电信领域的革命（Spiralling radio waves could revolutionize telecommunications）。今年他们在户外现实环境中的实验结果，朝着这个革命性的目标迈进了一大步。