天空是极限：拉马钱德兰团队的光传输发现发表在《科学》杂志上
标题图片来源：泽林马;背景照片是imagine Limited，其贡献者或许可合作伙伴的版权财产，并在许可下使用。
作者：A.J. Kleber和Millie Zhu
你是否曾经在早餐时间漫不经心地登录社交媒体账户，结果却被大量的帖子淹没？很多人分享着几乎无穷无尽的文章、表情包、个人轶事，甚至是重要的信息。我们很难完全接受这一切——不仅仅是我们的思想。
不可否认的是，人们在数字空间中产生的数据量正在不断地呈指数级增长。我们倾向于认为信息是短暂的，在“云”中无形地徘徊，但实际上，我们的数据如何存储和传输是有物理限制的，并且内容的持续增长开始对构成其传输基础设施的光纤构成挑战。
光纤是远距离数据传输的骨干，无论是在量子计算节点之间，在数据中心的服务器之间，还是在全球互联网之间。信息以光束的形式发送，这些光束可以通过一种叫做“全内反射”的现象在全球范围内保持和传递，这种现象允许光以最小的损失从光纤“光管”的壁上反弹。然而，给定光纤的容量是有限的——我们不断增长的数据产生有可能超过这个极限。需要新的解决方案，这就是Siddharth Ramachandran教授和欧洲经委会博士候选人Zelin Ma的切入点。
在《科学》杂志上发表的一篇新论文中，马和拉马钱德兰，以及OFS光学公司的行业合作伙伴保罗·克里斯滕森，展示了他们开创性的解决方案——不仅解决了即将到来的容量短缺问题，而且可能产生一种更节能的信号传输方式。
缓解容量紧张的一种现有方法涉及配置光纤以支持多个独立的数据通道。光以空间上不同的模式在这些通道中传播，每个通道携带的数据量与单个标准光纤一样多。Ramachandran和他的团队之前在这一概念的发展中发挥了关键作用，并在2013年6月的《科学》杂志上发表了其可行性。Ramachandran将这种方法比作“扩大高速公路上的车道数量”，以增加交通流量。不幸的是，这往往会导致“崩溃”——信息在通道之间泄漏。这种泄漏破坏了光纤中的每个通道，从而使在所有通道中传输的信息无法恢复——使这种方法充其量只是权宜之计，而不是有效的解决方案。
与其从汽车和道路的角度思考问题，拉马钱德兰提出了一个更神圣的框架。
“高拓扑电荷光束”的行为与当今光通信中使用的标准光束不同；它们不是沿直线运动，而是在运动过程中扭曲，产生类似于双星旋转产生的“离心屏障”。就像离心屏障通过各自的重力保护这些恒星不会相互碰撞一样，它们也可以在相当远的距离内将这些不寻常的光束包含在光纤中。这些扭曲的光束不需要完全的内反射，以前认为是传输光所必需的，仍然局限于光纤。这种奇特的效应，被作者称为“拓扑约束”，也使得高拓扑电荷光束比传统光束更加坚固。它们能够包含更多的数据通道，而不会出现讨厌的泄漏问题。
Ramachandran的团队在他们的论文中已经成功地展示了他们的新方法，他们将多达50个数据通道装入一根1公里长的光纤中；容量是传统纤维的25倍。他们的理论是，这种改进只是一个开始，如果他们的方法像他们怀疑的那样可扩展，它可能会产生真正的全球影响。
第一作者Zelin Ma最近为他的博士论文“拓扑约束下的光传输”进行了辩护，该论文基于同样的澳门威尼斯人注册网站研究。在完成了一些扩展该澳门威尼斯人注册网站研究的澳门威尼斯人注册网站研究之后，他的目标是考虑在经典或量子通信领域的相关领域的工业或学术职位。马的顾问和通讯作者，杰出的工程学教授Siddharth Ramachandran，是波士顿大学高维光子学实验室的主任。他的澳门威尼斯人注册网站研究主要集中在非线性、超快和量子光子学、光纤和导波器件、脑成像以及经典和量子网络。