大幅提升全息存儲容量，科學(xué)家提出非正交偏振基復用技術(shù)，可用于動(dòng)態(tài)全息和量子加密

“本次成果為高容量的動(dòng)態(tài)全息和信息傳輸提供了堅實(shí)基礎。

既在理論上打破了傳統偏振復用的限制，還展現了非正交策略技術(shù)在動(dòng)態(tài)全息、量子加密、光學(xué)計算、高速通信和大數據存儲等領(lǐng)域的應用潛力，標志著(zhù)全息技術(shù)和偏振復用技術(shù)的顯著(zhù)進(jìn)步。”中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究團隊表示。

近日，該研究團隊提出一種非正交偏振復用技術(shù)，通過(guò)引入非正交的偏振態(tài)，該技術(shù)能在同一光學(xué)介質(zhì)中創(chuàng )建更多獨立的信息通道，從而大幅提升全息存儲的容量。

相比傳統的正交偏振復用技術(shù)，非正交偏振復用技術(shù)提供了更大的靈活性和更高的復用效率，使得全息存儲的密度和容量得以顯著(zhù)提高。

通過(guò)在亞波長(cháng)尺度上精確控制超原子的局域本征偏振態(tài)，能讓這些態(tài)之間不再處于嚴格正交狀態(tài)，從而實(shí)現全局效應上的多個(gè)非正交通道的復用。

這讓本次方法能在不顯著(zhù)增加系統復雜性的情況下，提供更大的自由度和更高的信息容量。

在實(shí)驗中，課題組通過(guò)非正交偏振復用技術(shù)生成了復雜全息圖案，并通過(guò)結合矢量衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化了復用效率，顯著(zhù)減少了通道間的串擾。

（來(lái)源：Nature Communications） 

總的來(lái)說(shuō)，本次研究提出了非正交偏振基復用技術(shù)，并展示了其在全息產(chǎn)生中的應用。

同時(shí)，通過(guò)本征偏振態(tài)的精確控制，課題組實(shí)現了超低串擾的高效通道復用。此外，也擴展了 Jones 矩陣的維度，讓信息存儲容量得以顯著(zhù)提升。

（來(lái)源：Nature Communications） 

對于相關(guān)論文評審專(zhuān)家認為，此次研究提出的超高全息信息容量是一個(gè)重要亮點(diǎn)。

特別是在非正交偏振復用方法和引入可控局部本征偏振調制機制的幫助下，該團隊成功擴展了 Jones 矩陣的維度，大大提高了全息圖像的復用能力并減少了串擾。

此外，利用矢量衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )所設計的原創(chuàng )型 55 通道全息偏振復用方案也得到了審稿人的贊賞。

審稿人指出這種方案通過(guò)突破傳統的正交偏振基編碼限制，實(shí)現了復雜的全息圖案復用，體現了本次研究在全息存儲和偏振復用領(lǐng)域的創(chuàng )新性和重要性。

在應用前景上：

首先，在光通信領(lǐng)域通過(guò)利用非正交偏振態(tài)，該技術(shù)可以實(shí)現更高的數據傳輸率和更有效的帶寬利用，從而提升光纖通信的效率。

其次，超高全息信息容量還能讓大容量數據存儲成為可能，從而能在數據中心和云存儲服務(wù)中實(shí)現應用，借此實(shí)現更高效的存儲和讀取。

再次，通過(guò)利用復雜的全息圖案，這項技術(shù)可以在產(chǎn)品包裝和身份證明中嵌入高安全性的防偽標識，從而減少偽造和仿冒的風(fēng)險。

預計這些應用將推動(dòng)光子學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，帶來(lái)更高效、更安全和更智能的技術(shù)解決方案。

生成多達 55 種的復雜全息圖案

隨著(zhù)信息技術(shù)的快速發(fā)展，讓全息存儲和高密度數據傳輸領(lǐng)域，面臨著(zhù)更高的復用能力要求。

然而，傳統的正交偏振復用技術(shù)因其固有特性，在光學(xué)介質(zhì)中只能支持有限的獨立通道，這在復用效率和信息容量的提升方面形成了一定瓶頸。

這一局限性促使該團隊尋求新的復用技術(shù)，以突破傳統技術(shù)的束縛，從而滿(mǎn)足現代應用對于更高信息密度和更高傳輸效率的要求。

（來(lái)源：Nature Communications） 

基于此，該研究團隊開(kāi)展了本次研究。期間，課題組圍繞超表面集成的紅外探測增強開(kāi)展了這項工作。

通過(guò)前期調研他們意識到：傳統偏振復用技術(shù)的局限尤其是由于正交性限制所帶來(lái)的多通道復用能力的不足，成為領(lǐng)域內發(fā)展所面臨的一大挑戰。

面對這一困境，他們決定探索一種全新的非正交偏振復用技術(shù)，旨在突破現有技術(shù)的瓶頸，提升全息信息的容量。

確定研究方向之后，該團隊先是分析了偏振復用和超表面技術(shù)的最新進(jìn)展，由此發(fā)現盡管現有研究在利用本征偏振態(tài)和多通道系統上取得了一定進(jìn)展，但仍有大量需要改進(jìn)的空間。

隨后，他們建立了相關(guān)的理論基礎，并開(kāi)始構建非正交偏振的理論模型。

后來(lái)，雖然理論推導已經(jīng)完成，但是依然缺乏一個(gè)方便快捷的方案來(lái)實(shí)現設計方案。經(jīng)過(guò)調研之后，他們決定嘗試使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。

但是，課題組成員在編寫(xiě)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，由于沒(méi)有經(jīng)驗再加上沒(méi)有可參考的案例，曾經(jīng)萌生放棄這種方案的想法。

在大家的相互鼓勵之下，他們從零開(kāi)始一點(diǎn)點(diǎn)完成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )編寫(xiě)：先是編寫(xiě)了無(wú)偏振單波長(cháng)的單一網(wǎng)絡(luò )結構，后在偏振分解的基礎上實(shí)現了矢量偏振網(wǎng)絡(luò )。

直到后來(lái)，他們已能熟練使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )編寫(xiě)工具。而在設計中，通過(guò)使用全波仿真軟件 FDTD，讓方案的可行性得以確認，這也讓他們更有勇氣和信心往前推進(jìn)。

接著(zhù)，課題組設計出一種新穎的復用機制，通過(guò)空間變化的本征偏振態(tài)，實(shí)現了每個(gè)超表面單元的非零偏振輸出，從而在全局范圍內實(shí)現了非正交偏振復用。

為了驗證這一理論模型，該團隊結合超表面技術(shù)和矢量衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，生成了多達 55 種的復雜全息圖案。

（來(lái)源：Nature Communications） 

實(shí)驗中，通過(guò)嚴密地控制輸入和輸出的偏振狀態(tài)，以及針對實(shí)驗數據進(jìn)行詳細分析，課題組評估了各通道的串擾情況，從而讓實(shí)驗結果的有效性、以及理論模型的正確性得到保障。

“那一刻所有人都松了一口氣”

事實(shí)上，在首次進(jìn)行非正交實(shí)驗之時(shí)，全息圖像并沒(méi)有如愿出現，盡管可以辨別出圖像但是像素非常模糊。

“首次實(shí)驗卻遭遇滑鐵盧，整個(gè)團隊一度感到十分沮喪，畢竟這項實(shí)驗的成功與否，直接關(guān)系到研究結果的進(jìn)展?！痹撜n題組表示。

后來(lái)，團隊成員經(jīng)過(guò)多次討論，并經(jīng)過(guò)逐一排查之后發(fā)現：在加工的樣品中，有些極細的單元并未按照預想的結構那樣筆直地排列，而是向一側傾倒，以至于影響了成像清晰度。

發(fā)現這一問(wèn)題后，他們立即調整結構參數，重新優(yōu)化并限制結構范圍。同時(shí)，在樣品加工的過(guò)程中，更加細致地調整參數。

后來(lái)，經(jīng)過(guò)細致的優(yōu)化加工與實(shí)驗驗證，終于出現了清晰的全息圖案，那一刻所有人都松了一口氣。

而通過(guò)進(jìn)一步地總結實(shí)驗成果，也讓本次非正交偏振復用技術(shù)的優(yōu)勢得以明確。隨后，該團隊探討了本次技術(shù)在光通信、目標特性模擬和量子信息處理等領(lǐng)域的潛在應用。

同時(shí)，在本次研究之中，課題組已經(jīng)開(kāi)始使用 AI 技術(shù)來(lái)進(jìn)行輔助研究節。

特別是在設計和優(yōu)化非正交偏振復用系統時(shí)，他們引入了矢量衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )這一工具。在復雜光學(xué)系統的建模和優(yōu)化上，這一工具曾發(fā)揮了重要作用。

而通過(guò)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，讓他們得以有效地預測和優(yōu)化超表面設計中的光學(xué)行為，從而實(shí)現了更高效的全息圖案生成以及更低的串擾。

最終，相關(guān)論文以《通過(guò)非正交偏振復用解鎖超高全息信息容量》（Unlocking ultra-high holographic information capacity through nonorthogonal polarization multiplexing）為題發(fā)在 Nature Communications[1]。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士生王杰、陳金博士和郁菲蘢博士是共同一作，李冠海研究員擔任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications） 

該團隊非常希望將本次技術(shù)用于量子信息處理和加密通信領(lǐng)域。

非正交偏振復用技術(shù)之所以在上述領(lǐng)域具有巨大的應用潛力，是因為它能夠在不增加噪聲和不增加串擾的前提下，大幅增加信息傳輸的容量和安全性。

因此，他們還計劃與量子信息領(lǐng)域的專(zhuān)家合作，開(kāi)發(fā)基于本次技術(shù)的新型加密通信系統，并探索其在高速安全型數據傳輸中的應用。

與此同時(shí)，該研究團隊還將擴展 AI 技術(shù)在數據分析和實(shí)驗自動(dòng)化上的應用。

隨著(zhù)研究的深入以及實(shí)驗數據量的不斷增加，人工分析變得愈發(fā)困難和耗時(shí)。因此，研究人員打算利用 AI 進(jìn)行數據挖掘和模式識別。

預計這將幫助他們從海量實(shí)驗數據中提取有價(jià)值的見(jiàn)解，幫助發(fā)現潛在的新現象和新規律。

此外，該團隊也正在考慮引入 AI 驅動(dòng)的實(shí)驗自動(dòng)化系統，以便提高實(shí)驗效率和減少人為誤差，從而能夠更好地探索 AI 與光學(xué)研究的深度融合。

參考資料：

1.Wang, J., Chen, J., Yu, F.et al. Unlocking ultra-high holographic information capacity through nonorthogonal polarization multiplexing. Nat Commun 15, 6284 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50586-5

排版：劉雅坤