當您打電話或瀏覽網際網路時，很可能大部分通訊是透過光纖鏈路傳輸的，每秒傳輸數十億位元。
最近的一項實驗表明，有可能“扭曲”光波，在其中塞入比以往更多資訊，並以實際距離傳送訊號。在這種情況下，物理學家使用扭曲的雷射將“你好世界”的訊息在兩個島嶼之間傳送。[物理學中最大的9個未解之謎]
扭曲的光子
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光波一直被用於通訊。無線電是一種光的形式，光纖中常見的雷射也是如此。為了輸入和輸出資訊，可以使用波的振幅（如在調幅無線電中）、波的頻率（在調頻無線電中使用）甚至相位和偏振（與前兩者一起在光纖中使用）。
事實上，人們可以使用僅僅四個特徵，或所謂的自由度，將資訊編碼到單個光波中，這限制了可以透過光子傳輸的資訊量。維也納大學的一個國際團隊想看看他們是否可以將資訊編碼到光波的另一個特徵，即角動量中，並將其傳送到足夠遠的距離以供使用——在這種情況下，是在加那利群島的兩個天文臺之間約 88 英里（142 公里）。
儘管聽起來違反直覺，但光確實具有角動量。這是因為當光子傳播時，它實際上會“扭曲”並進行一定數量的旋轉。近年來，物理學家已經找到了增加這些扭曲數量的方法，從而改變了光的角動量。
維也納大學的博士生、概述研究結果的兩項研究之一的主要作者馬里奧·克倫告訴《生活科學》：“當我們增加一個額外的自由度時，可以使用相同的通道[在這種情況下，光的波長]，並將資訊量增加 n 倍。” 在這種情況下，“n”是光角動量的“模式”數。模式是角動量測量的整數倍。例如，具有五個模式和 10 個通道的傳輸現在能夠傳送的資訊量是原始 10 個通道的五倍。
光傳輸
通常，如果在實驗中觀察到雷射照射在空白螢幕上，它會呈現為一個環。使用計算機將角動量測量值疊加到光訊號上會產生可以解碼的獨特圖案。研究人員使用這種方法建立了一個光圖案，產生了“你好世界”的訊息。
但是，編碼資訊只是實驗的一部分。下一步是將資訊傳送到一定的距離之外。克倫說，以前，光子學領域的大多數人認為訊息無法很好地透過大氣傳輸。這是因為他們認為角動量對光的折射率敏感，而折射率會隨氣壓或溼度變化。
他們錯了。當研究小組在拉帕爾馬島和特內里費島上的兩個天文臺之間發射一束綠色雷射束時，接收器仍然可以接收到訊號，檢測到研究小組賦予扭曲光線的角動量變化。“我們實際上很驚訝能夠獲得超過 3 公里的距離，”克倫說。
其工作原理仍然有點不清楚。可能是關於空氣對這類測量的干擾程度的假設根本不正確。
隨著這項成功，該實驗為進一步工作開闢了道路，這些工作最終可以用於通訊。克倫說，傳送器和接收器相對簡單，而且是現成的。計算量大的工作是處理訊號，但這同樣使用了成熟的數學技術。“我們想降低複雜性，”他說。
結果發表在11 月 15 日出版的期刊《美國國家科學院院刊》的兩項研究中。
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