把光纤的传输量扩大100倍会怎样？全息投影精确到分子大小会发生什么？科幻电影悬空的操作界面可以成真吗？给信息加一把“钥匙”就能让别人无法窃取吗？今天（12月10日），一份来自中国科研团队的科研成果，在世界顶尖光学期刊《Nature Photonics》（自然光子学）上发布。据了解，这一研究是全息信息安全技术领域国内唯一一篇在此期刊发表的长文，推出世界上首个“超宽带光学全息技术”，它不仅将光学信息传输处理能力无限扩展、更将成为推动未来5G技术全面升级的力量。
看到这里，似乎有点“不明觉厉”，其实这项技术并非束之高阁的理论研究，与我们未来的生活息息相关。比如更快的网速、更精准的医疗手术、更安全的信息隐私保护。
重磅发现：同一时间的信息传输量可以无限扩展
装过宽带的家庭都感受过光纤传输的高速和便捷，上世纪70年代前后，以光为载体的信息传输研究日益成熟，逐渐取代电子传输，信息传递的速度和容量都得到了巨大的提升。这次来自中国的技术革命，又将实现信息传输新的突破。
“伴随着信息社会的发展，当光作为信息载体，之前主要通过拓宽‘颜色’的种类来扩大信息承载量，现在我们成功找到了另一个维度上的信息承载方法。”这次研究的团队导师顾敏介绍，光本身分为色彩、偏振、轨道角动量几个维度，以往只利用了颜色这一个维度，这次的研究成功突破了轨道角动量的维度，直接打开了“新世界的大门”，就像从2维平面迈向了3维立体世界的变化。
顾敏是中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院与工程院士，目前在上海理工大学任教，该研究成果就是其领衔的人工智能纳米光子学科研团队研发，团队特聘研究员方心远博士为论文第一作者。
顾敏院士
“也就是说，以前1条信息传输链上，同一时间点只能传递1个信息，但现在理论上可以同时传递无限多的信息，目前的研究已经可以做到100倍了。”方心远告诉记者，如果说以前的传输实现了“从0到1”的突破，这次的升级将使“从0到1无限等分”成为可能。
理论上，这一技术可以实现信息传输量的无限扩展，但随着倍数的扩大，技术难度、资金投入也将加大。
推动5G通信技术升级、信息更加安全
“这一技术将会推动5G，甚至6G通信技术发展。”方心远说，轨道角动量技术的力量还不止于此，它可以帮助每一代通信技术提高信息传递能力。
从第一代通信技术到现在的第五代通信技术，无线电波的频率在不停提高，正是为了提高可用带宽，到了6G就已经达到太赫兹频段。通俗说，信息流流动的“马路”在不停地拓宽。
不同于以往这一办法，轨道角动量技术完全是在这条马路上搭建平行的一条条平行的公路，来提高信息传递速度，信息处理能力。
“总得来说，轨道角动量技术在整个信息处理领域属于独辟蹊径。”方心远说，在未来，不仅可以同时传输更大量的信息，信息的安全性将会被大大提高。
每一个信息可以对应一把“钥匙”，只有掌握密码的人可以打开，其他人无从窃取。轨道角动量的特质，使得通过其传播的所有信息能实现加密。
方心远博士介绍：“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，只有知道入射光束的螺旋姿态，才能够成功解码出全息锁中的信息，这就保护了信息传递的安全性。”螺旋姿态不计其数的变化，带来的是无限的一把又一把“钥匙”。
娱乐、医疗、生活都将被影响
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，然而利用不同的“钥匙”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。这一场景将伴随该技术的出现成为可能。
顾敏介绍：“轨道角动量全息技术在人工智能、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将大有可为。”
加密全息数据，不仅可以为信息安全做保障，也大大丰富了不同终端受众的解码结果，人们的娱乐、生活方式将被影响。一份数据可以包含多种信息，传递给不同的人，经过各终端的“钥匙”开“锁”会得到各自所需的内容。
信息量大了，信息的精度也被放大，未来的医疗手术过程中，病人的身体器官将能够被精确的全息投影展现，精密程度可达到分子层面，也就是说对着全息成像，医生就可探寻到病人的器官深层。
“未来到银行存钱，也许用的就不是按键密码了，变成了螺旋光做的‘钥匙’。”顾敏说，今后这一技术将融入我们生活的方方面面，电脑、手机、手表都可以使用，而且更加节能环保。
顾敏透露，实验室正全力投入科学研发，并积极与科技企业进行产研接洽。
对于宽带，我们已经很熟悉，一张图片很快就能传送，但是很多人可能没有想过，同一份加密全息数据发出，利用不同的螺旋光钥解码，收到的人看到的就是不同的画面。论文第一作者方心远博士介绍，这是因为他们研发的轨道角动量全息技术，颠覆了全息影像的传输方式，光的各种特性被充分利用。
“我们就要利用光的各种各样的特殊性质，比如说颜色，有绿色的光，红色的光，有它的振动的状态，当然还有一种性质是光的前进方式，它是以螺旋的方式在空间中前进的，它螺旋的程度是可以不一样的。假如说，我们能够根据不同螺旋程度的光束，同一组数据不同螺旋光束进来，我们能看到不一样的信息，这就是我们工作的核心。”
在顾敏院士看来，这项技术还有一大“硬实力”还在于创造性地为全息技术加装一把安全“锁”，这就好比把“螺旋光”配成多把“钥匙”，可以将同一组信号解码出不同的信息，每个收信人根据手里的“螺线光钥匙”解读出只有他自己才能看到的最终信息，保护了信息传递的安全性。
“比方说我们有5种颜色，5种颜色代表着不同的螺旋程度，每一种颜色我可以用来做成一把钥匙，密码就在里边了。，可以5种颜色叠加做成另外一把锁，它有各种各样的组合。用这把锁照到那个全息图上面，你可以出来一个上海大厦，你再照一照，出来是东方明珠，一张全息图你可以用不同的钥匙去开，可以很多很多的人不同的钥匙。”
不仅更安全、容量也更大。现在一张平面全息图往往只能记录一张图片，然而随着信息时代的快速发展，需要利用相同的内存来记录下更多的图片。利用最新发现的这项技术，相同的内存能够将图片信息存储能力提高100倍，如何来做到？顾敏说：“假如宽带通讯现在是100个通道，我现在就可以乘100倍，就一下子增加了100倍。一个颜色我可以有100个状态的角动量，就说你扩大100倍，但是这个原理是不受限制的，只要有足够的时间，工程上是没有限制的，你可以1000倍，你可以1万倍，轨道角动量是无限的，是无限的就像颜色是无限的。”
提及该项技术的未来应用，顾敏院士表示，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将大有可为，此外，还可以将其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。
