光作为一种信息载体, 从古时的烽火传信到现代化的光纤通信网络，通过不断拓展光束调控的自由度，深刻变革了人类的信息通信方式。传统的光束调控主要基于光的本征属性，如强度、频率、偏振、相位等。虽然这些物理自由度陆续被开发作为信息通道，但随着互联网以及人工智能对大数据的需求，人类需要通过探索更高维度的信息承载空间、调制空间、表达空间，来增强人们对信息的驾驭能力，进一步变革光与人类、世界互动的方式。
结构光作为一种新型的信息载体，正在引起越来越多人的关注。它是通过调节光波前相位或强度分布等方式，在一个观测自由度（比如空间、时间等）形成特定的光场分布模式，可以被看作是一种具有特定信息载体功能的“图案”，因此，它具备携带更多、更复杂、更高维度信息的能力，具有巨大的潜力和广泛的应用前景。
近日，来自清华大学与英国南安普敦大学的联合团队综述了多自由度结构光及其在信息技术中的应用，相关成果以“
Ultra-Degree-of-Freedom Structured Light for
Ultracapacity Information Carriers
”为题发表于期刊《ACS Photonics》上。
清华大学精仪系博士生万震松、王豪为论文的共同第一作者，清华大学精仪系付星副教授与英国南安普敦大学高级研究员申艺杰博士为论文的共同通讯作者。
内容简介
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：超自由度结构光的崛起
本文的第一部分详细论述了结构光在可调控自由度的不断超越过程中的亮点工作，如表1所示。除了传统的涡旋光的轨道角动量（OAM），通过引入混合轨迹、像散度、准简并态、行驻波态、子OAM、相干态相位等全新概念，结构光的空间调控自由度得以拓展至9维
使得我们能够更加灵活地控制光的传播路径和行为。同时，通过引入时空不可分离性和三维光场拓扑结构等概念，我们可进一步发掘广阔的自由度拓展空间。时空不可分离性使得我们可以同时调节光的时域和空域特性，实现更加精确的光场控制。而三维光场拓扑结构的研究则使得我们能够构造出复杂而富有特色的光学模式，进一步扩展了光学自由度的范围。在自由度拓展过程中，学界涌现出一系列精彩的研究工作，人们发现了嵌套完美涡旋光，这种光场呈现出旋转且具有层次结构的特点，为光学传输和操控提供了全新的途径。此外，光学扭结也是一种非常有趣的光学模式，其具有扭曲的相位结构，在光纤通信和量子信息处理方面具有巨大潜力。另外，横纵模兼并光模式是指将光场的横向和纵向模式相互耦合，形成新的混合模式，这种光学模式在光学信号处理和信息传输方面有着广泛的应用。还有光学斯格明子，它是一种准粒子的光学映射，具有稳定的局域特性，有望用于构建高效鲁棒的光学通讯系统。这些精彩的研究工作不仅拓展了光学自由度的范围，也为定制光的产生、探测和传输提供了新的技术途径。
表1结构光调控自由度拓展
图1 具有丰富调控自由度的波迹结构光
图2 具有多自由度的三维结构光
内容简介
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：结构光信息革命
本文的第二部分梳理了超自由度结构光作为高维信息载体，在光通信、光学加密、经典纠缠（量子纠缠系统模拟）三个典型应用领域的突破性进展。这些应用领域的发展展示了超自由度结构光在信息科学和通信领域的巨大潜力。首先，在光通信领域，超自由度结构光的应用为光通信系统带来了革命性的突破。传统的光通信系统主要依靠光的强度和相位进行信息传输，而超自由度结构光则利用光的额外自由度，如轨道角动量、偏振、频谱等，来增加信息传输的容量和安全性。通过编码和解码技术的创新，超自由度结构光可以在光纤或自由空间中传输更多的信息，并且对抗信号干扰和窃听攻击，提高光通信的带宽和保密性能。其次，光学加密是另一个突出的应用领域，传统的光学加密方法主要基于传统的光干涉和衍射现象，容易受到攻击和破解。而超自由度结构光的引入使得加密过程更加复杂化和多样化，通过在加密算法中利用超自由度结构光的丰富信息，如多层次编码、多维加密密钥等，可以提高加密的强度和安全性，也为保护敏感信息和数据安全提供了新的可能性。最后，在经典纠缠（量子纠缠系统模拟）方面，超自由度结构光也表现出了巨大的潜力，人们利用超自由度结构光中的相关性和复杂性来模拟和研究量子纠缠系统的行为，通过调控超自由度结构光的多种信息参数，如光的空间结构、模式相位等，可以实现模拟量子纠缠的特性。这为研究量子信息处理、量子通信和量子计算提供了一种新的方法和平台。值得一提的是，深度学习技术在这些应用场景中能够提供额外的帮助，本文也讨论了深度学习在超自由度结构光在信息处理领域内应用的优缺点。
