6G移動通信網(wǎng)絡(luò)將通信的領(lǐng)域邊界從物理世界進(jìn)一步拓展至數(shù)字世界,，通過在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時、高效和智能的超連接來重塑世界,，這一趨勢將開啟移動通信的新篇章,。6G網(wǎng)絡(luò)超大規(guī)模的全局性連接將給網(wǎng)絡(luò)的運營和管理帶來巨大挑戰(zhàn)，亟待革命性的理論和技術(shù)創(chuàng)新,。

人類社會正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命,，其推動力主要源于萬物數(shù)字化、信息通信技術(shù)(ICT)以及人工智能(AI)技術(shù)等的融合創(chuàng)新,。其中，信息通信技術(shù)在人類社會邁向數(shù)字智能新階段的演進(jìn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。第五代(the fifth generation, 5G)移動通信網(wǎng)絡(luò)通過有機融合泛在的通信,、計算和控制(ubiquitous communication, computing, and control, UC3)能力，為人,、機,、物的互聯(lián)開辟了全新范式。 第六代(the sixth generation, 6G)移動通信網(wǎng)絡(luò)將通信的領(lǐng)域邊界從物理世界進(jìn)一步拓展至數(shù)字世界,，通過在物理世界和數(shù)字世界之間提供即時,、高效和智能的超連接來重塑世界，這一趨勢將開啟移動通信的新篇章,。

基于上述討論,，為了邁向“智慧演化和原生簡約”的“智簡”網(wǎng)絡(luò)(wisdom-evolutionary and primitive-concise Network, WePCN)，我們引入了一個智能高效的語義通信(IE-SC)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的智能水平,，使網(wǎng)絡(luò)變得更加高效和簡約,。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念主要是通過資源堆疊來提升網(wǎng)絡(luò)能力，如更多的頻譜資源及計算資源,、更密集的接入點和更大規(guī)模的天線等,。這種堆疊式網(wǎng)絡(luò)性能提升的代價是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的極速提高。與傳統(tǒng)設(shè)計理念不同,，我們期望通過源于網(wǎng)絡(luò)原生智慧累積的簡約通信來提升網(wǎng)絡(luò)能力,。具體而言， IE-SC架構(gòu)的核心是SI平面,，它實現(xiàn)了語義環(huán)境表征,、背景知識管理、語義推理和決策等。此外,，我們設(shè)計了三個語義賦能的全新抽象協(xié)議層——語義賦能的物理承載(semantic-empowered physical-bearing, S-PB)層,、語義賦能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(semantic-empowered network protocol, S-NP)層和語義賦能的應(yīng)用意圖(semantic-empowered application-intent, S-AI)層，它們能夠重塑現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,。SI平面通過語義信息流(semantic information flow , S-IF)協(xié)調(diào)這三個語義協(xié)議層,，其中S-IF承載著應(yīng)用意圖和語義信息在全網(wǎng)流轉(zhuǎn)。

在收到S-IF后,，S-NP層可以編排與意圖相關(guān)的語義,，產(chǎn)生靈活而簡約的協(xié)議。S-PB層采用合適的語義-語法聯(lián)合編碼策略來承接S-NP層,，提高物理資源利用率及意圖達(dá)成效率,。通過IE-SC架構(gòu)，Ubiquitous-X 6G網(wǎng)絡(luò)所面臨的高復(fù)雜度問題有望得到解決,。不僅如此,，IE-SC架構(gòu)還有望全面提升網(wǎng)絡(luò)能力以實現(xiàn)WePCN愿景——構(gòu)建有序、高效,、智能的Ubiquitous-X網(wǎng)絡(luò)以支持未來應(yīng)用和服務(wù),。

“該成果在自由光通信領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景，對于下一代 6G 通信的超大容量光通信網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用潛力,。未來還可用于星間,、星地通信鏈路。審稿人評價稱,，‘該研究非常有趣,，對于新型光場作為高維信息載體的應(yīng)用來說堪稱奠基性的工作，將對光通信領(lǐng)域帶來巨大的效益,?！鼻迦A大學(xué)精儀系激光與光子技術(shù)研究所副教授付星表示。

近日,，他所在的先進(jìn)激光技術(shù)團(tuán)隊,，對下一代大容量密集編碼自由光通信應(yīng)用開展了前沿探索，采用共軛調(diào)制方法巧妙實現(xiàn)了信息解復(fù)用,。相關(guān)實驗很好地支撐了理論假設(shè),，結(jié)果表明新型光束在信道容量、誤碼率方面都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋光,，從而發(fā)揮出軌道角動量(OAM,，Orbital Angular Momentum)光束高維通信的優(yōu)勢。

日前,，相關(guān)論文以《面向未來超大容量,、低誤碼率光通信的發(fā)散簡并空間復(fù)用技術(shù)》(Divergence-degenerate spatial multiplexing towards future ultrahigh capacity, low error-rate optical communications)為題,，發(fā)表在Light: Science & Applications上。付星,、團(tuán)隊負(fù)責(zé)人清華大學(xué)精儀系系主任柳強擔(dān)任共同通訊作者,，萬震松擔(dān)任第一作者。

論文一經(jīng)發(fā)表,，受到了廣泛關(guān)注,，被 1965 年創(chuàng)刊的國際激光行業(yè)著名雜志 Laser Focus World 專題報道。

據(jù)介紹,，光通信領(lǐng)域的容量提升依賴于對光的多個自由度的開發(fā)和利用,。近年來，光的強度,、頻率,、偏振、相位等多個物理維度的開發(fā)已接近極限,。為應(yīng)對“容量危機”的挑戰(zhàn),，具有新型空間自由度的結(jié)構(gòu)光束也加入了“戰(zhàn)團(tuán)”，尤其是帶有 OAM 的渦旋光,。

相比于成熟的偏振復(fù)用只有兩個維度的特點,，理論上基于 OAM 的模分復(fù)用通信有無窮多個維度可以利用。然而現(xiàn)實很骨感,，發(fā)散角隨著模式通道增多而迅速變大。每增加一個模式通道,，接收端的口徑就會變大一圈,。模式一多，口徑就由碗口大小增至磨盤大小,。

“靈魂三問”：如何產(chǎn)生?如何識別?如何應(yīng)用?

這項研究的核心是一類新型結(jié)構(gòu)光“幾何?！保哂小安ㄛE二象性”,。如圖 1 所示：除了普通光束所具有的波動性,，例如干涉、衍射等行為之外,，還具有令人驚嘆的幾何軌跡性,，即波包截面及其傳輸軌跡，與經(jīng)典幾何射線簇相互耦合,，因而被稱為幾何模,。

它的物理本質(zhì)是量子相干態(tài)的經(jīng)典對應(yīng)，在數(shù)學(xué)上被表征為：頻率簡并的本征模式的線性組合,。付星說：“我們被幾何模深深吸引,，對它發(fā)出了‘靈魂三問’：如何產(chǎn)生?如何識別?如何應(yīng)用?”

要知道，此前產(chǎn)生幾何模的方法完全依賴激光諧振腔，需要嚴(yán)格,、精細(xì)地調(diào)節(jié)腔長,、腔鏡曲率、泵浦離軸量等腔參數(shù),，以滿足頻率簡并態(tài)的苛刻條件,。不僅操作非常復(fù)雜，而且各模式之間無法靈活切換,。

再加上受到激光腔的物理限制,，幾何模的相當(dāng)一部分參數(shù)無法覆蓋到。這一技術(shù)桎梏嚴(yán)重制約了幾何模的發(fā)展,，也讓幾何模的識別和應(yīng)用基本處于研究空白,。對此，該團(tuán)隊另辟蹊徑,，探索出了一條數(shù)字化調(diào)控幾何模的全新技術(shù)路線,，做出了系列化的特色工作。

對于第一個難題也就是幾何模的產(chǎn)生,，課題組在 2020 年提出了基于廣義三維波包軌跡耦合模型的數(shù)字化產(chǎn)生和調(diào)控方法,，目前已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，該方法可為每個幾何?！傲可泶蛟臁比D,。

當(dāng)一束普通激光也就是基模高斯光束，照射到對應(yīng)的全息圖,，即可轉(zhuǎn)換為所需要的任意幾何模式,。而通過調(diào)制器高速刷新全息圖，則能實現(xiàn)大容量信息編碼,。

該方法邁出了關(guān)鍵的一步,，繞過了傳統(tǒng)諧振腔技術(shù)難以逾越的障礙，充分展現(xiàn)了按需定制,、全域調(diào)諧,、結(jié)構(gòu)簡單、靈活便捷的優(yōu)勢,，讓此次論文提出的“幾何模作為高維光通信載體”的構(gòu)想,，從技術(shù)上的不可能成為可能。

第二個難題即幾何模的識別,，正是發(fā)起本論文研究的最初目標(biāo),。此前的識別方法，主要針對具有單一或簡單相位奇點分布的結(jié)構(gòu)光束,，不適用于具有復(fù)雜相位的幾何模,。

“如圖 2 所示,，我們逆向思考，將上述數(shù)字化產(chǎn)生幾何模的過程反轉(zhuǎn),，即共軛調(diào)制,，這意味著幾何模只有經(jīng)過那張‘特制’的全息圖，才能聚焦成一個實心圓點也就是基模光束,，從而成功實現(xiàn)了對各種幾何模的識別,。”第一作者萬震松博士表示,。

德國一所大學(xué)和美國一所大學(xué)的科學(xué)家們成功通過多太赫茲脈沖技術(shù)表征拓?fù)涑瑢?dǎo)體的新方法,，這開辟了一條明確識別預(yù)測的奇異物質(zhì)狀態(tài)的途徑，未來,，這項技術(shù)可以幫助制造攜帶或者處理量子信息的設(shè)備和新型材料,。

世界各地的科學(xué)家正在努力構(gòu)建基于固態(tài)物質(zhì)的可擴展量子計算機，拓?fù)涑瑢?dǎo)體就是這樣一類材料,。它們被認(rèn)為是一種特殊的集體量子態(tài),，即在邊界處以Majoranas形式存在的非阿貝爾任意子。通過在量子線網(wǎng)絡(luò)中攪亂這些準(zhǔn)粒子,，科學(xué)家們可以構(gòu)建邏輯量子門,，量子計算機的構(gòu)建塊

在本次研究的論文中，科學(xué)家們討論的不是設(shè)備邊界處的Majoranas,，由于體邊界對應(yīng),，Majoranas與超導(dǎo)體體帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在某種意義上材料中的粒子激發(fā)效應(yīng)在邊界處經(jīng)歷了扭曲,。這種強相互作用可以通過二維太赫茲光譜來研究,，這是一種廣泛用于分子和體物質(zhì)的技術(shù)。

“與線性吸收光譜不同,，非線性多脈沖實驗使我們能夠研究激發(fā)粒子的光學(xué)響應(yīng)，從而有助于清楚地揭示這種扭曲,，并在二維光譜中具有奇異拓?fù)錉顟B(tài)的獨特特征,。”德國的科學(xué)家說道,?！拔覀兊难芯吭跈z測Majoranas最基本但尚未完全表征的特性和以Majorana態(tài)編織形式用非阿貝爾任意子演示邏輯門操作之間邁出了重要一步。這種光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了超越成像的光譜信息,，并允許對拓?fù)洳牧线M(jìn)行毫無疑問的表征,。因此，它們會為其在量子技術(shù)中的應(yīng)用中搭建一座堅實的橋梁,?！泵绹目茖W(xué)家說道,。