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灯光,照相机,尖刻!

物理学家和工程师们面临着如何为更多数据腾出空间的问题。

成千上万的人聚集在威尼斯的圣马克广场,这是由Mark Peplow见证了一场电信革命。

成千上万的人聚集在威尼斯的圣马克广场上,这是因为目睹了一场电信革命。在2011年6月24日温暖的夏夜,他们观看了一段视频,投射到中世纪的托德宫的墙上,解释了一项新技术,它承诺在一次中风中增加无线电波携带的数据量。

大约442米宽的礁湖上,一对不寻常的天线安装在圣乔治岛的灯塔上。在一个开关的轻拂下,一个信号从天线上跳出来,伴随着步枪射击,Guglielmo Marconi用同样的信号确认了1895中的第一次无线电发射。过了一会儿,这条消息到达了目的地,并闪现在宫殿的哥特式门面上。西格纳尔-里维乌托“它读到。“收到信号。”

人群已经被一场灯光秀和一个越来越歇斯底里的评论家鞭打了起来,引起了热烈的掌声。

接收信号随着Marconi的回声,坦布利尼和泰德照亮了威尼斯的多尔宫的城墙。当两个无线电波(其中一个被扭曲)被传送到442米处并通过两个单独的通道接收时,他们就提出了“Segnale Ricevuto”这个词。西蒙内塔苏格利奥

编排威尼斯示威的科学家Fabrizio Tamburini和博蒂迪成功地写下了他们的成果。他们解释说,传输使用了两个无线电波束,其中一个已经被雕刻成螺旋形。即使光束具有相同的波长,扭曲意味着接收器可以区分它们,就好像光束是单独的数据通道一样。科学家们说,原则上,可以增加更多的光束,每个光束在螺旋中有不同程度的扭曲,以提供更多的通道。Tamburini很快就被意大利媒体称为“Marconi.”

更多的数据渠道正是电信业迫切需要的。随着越来越多的图像、电影和网络游戏的负担,移动设备已经成为带宽的贪婪消费者。电信公司思科预测,到2018,全球智能手机每月流量将达到2.7千兆字节,共计15.9兆字节(15.9×10)。十八字节),所有通过有限的无线电频谱和应变无线网络进行。

如何混淆

在第二次世界大战期间,雷达操作员跟踪汉堡上空的一架飞机,引导探照灯和高射炮相对于磷光体点,其位置随着天线的每一次扫描而更新。突然,似乎代表飞机的点…阅读更多

威尼斯实验承诺了一种解决方案,它可能在一次冲程中增加单个频率的数据容量。但他们的论文却遭到了其他研究者的质疑,而不是全球赞誉,他们认为他们的技术并不是新的,也无助于提高交流能力。“这将不允许我们提高无线通信的频谱效率,”洛桑瑞士联邦理工学院的电气工程师Julien Perruisseau Carrier说。“有一点是肯定的:我们有一个新的‘冷聚变’课题,它将存活数年或几十年,”德克萨斯农机大学的一位物理学家Laszlo Kish说。

“我不明白它是如何变得如此尖刻,”格拉斯哥大学的物理学和天文学学院的教授Miles Padgett说,他是研究螺旋光的先驱。

这一插曲的哗众取宠、误解、尖刻和指责使我们回到了专业化科学之前的时代,当表演是推进研究议程的一个组成部分时。

但仔细研究,Tamburini和螺旋光传输的故事也突出了专业化的潜在负担,提供了一个揭示科学如何工作时,现场碰撞。在物理学和电工领域,Tamburini和他的批评者在描述这些现象时几乎用不同的语言说话。科学家有时会互相交谈,充满激情的言辞会演变成谩骂。从解决电信业最大难题之一的前景中获得巨大利润,紧张局势甚至更大。

与外表相反,科学和工程并不总是循序渐进、理性地进行,而是可以像马戏团一样表现得淋漓尽致,因此,和法庭一样,也是一种恶作剧。


T意大利帕多瓦大学的天体物理学家Tamburini对Heices的看法可能会有很大不同。作为一名本科生学习物理学,Tamburini兼职作为Alfa Romeo测试驱动-一个诱人的职业选择。但后来他遇见了Dennis Sciama,一位现代宇宙学的父亲形象,他说服Tamburini放弃他的汽车,研究星星。

坦伯利尼法拉利Tamburini的轨道角动量的工作帮助他实现了童年梦想:拥有一个经典的法拉利。这个样本是一个法拉利208涡轮GTB与400必和必拓,赛车套件,和一个可调整的车轮底盘设置。“我疯狂地去寻找一个全新的,”Tamburini告诉我。“它看起来像马格南P.I的法拉利”尼科莱塔斯塔科

星光充满了信息,如果你知道如何阅读它。它的颜色可以揭示恒星的温度、恒星的组成、甚至它的距离;光的偏振可以指示磁场的存在或巨大的星际尘埃云。2003,康奈尔大学天体物理学家Martin Harwit提出了另一种方法来从星光中挤出更多的数据。他预言围绕脉冲星的物质,或者某些黑洞的快速旋转,可以用一种叫做轨道角动量(OAM)的东西来激发光。

光束通常以直线行进,它们所携带的能量遵循相同的轨迹。但是,能量也可以在光束的行进方向上找到一个螺旋形的路径,这就提供了光的轨道角动量。这会使光束中的电磁波交错,从而它们的峰值共同追踪螺旋的形状。添加更多的动量,它变成双螺旋,然后是三螺旋形状的意大利粉意大利面。从理论上讲,对光束的扭转量没有限制。

甚至单个光子也可以具有轨道角动量。作为量子实体,不可能同时定义它们的位置和动量,但是如果你能在飞行中冻结一个“扭曲光子”的电影,它的动量似乎就偏离了它的行进方向。一步步推进光子的旅程,代表其动量的箭头似乎绕着飞行线旋转,就好像光本身绕着一个轴盘旋一样。“能量就像龙卷风一样移动,”巴塞罗那光科学研究所的物理学家和电信专家Juan Torres说,他用扭曲的光工作。

携带轨道角动量的光束是一个非常新的发现,考虑到一个相关的性质,自旋角动量,已经知道了一个多世纪。当光是圆偏振的时候,自旋角动量就会出现,这样每个波的电场在旋转时旋转。在1936,普林斯顿大学的Richard Beth首次通过将圆偏振光穿过一个悬挂在光纤上的石英圆盘来测量自旋角动量,他发现当光传输动量时,透镜开始旋转。

然而,直到1992年,科学家才意识到在实验室里可以很容易地制作扭曲的激光束。三年后,一组澳大利亚科学家用扭曲的光使漂浮的微观粒子绕着光束的轴旋转。

科学和工程并不总是循序渐进、理性地进行,但也可以像马戏团一样具有炫耀性。

给光线扭转的一种方法是通过液晶中的叉状图案。当光波绕过图样时,它们以恰到好处的方式相互干涉,产生光的轨道角动量;改变衍射图样产生不同的扭曲量。闪亮的光线通过一个透明的板,一个面形成螺旋状,也能以类似的方式扭曲光线。

哈威特预测黑洞可以利用轨道角动量来激发光,这就提供了一个可能的路径,这是第一个观测证据表明黑洞可以旋转,正如广义相对论所预言的那样。受此思想启发,Tamburini与乌普萨拉瑞典空间物理研究所物理学家泰德配对,寻找具有非零轨道角动量的星光。在2010,这对夫妇证明人造无线电波可以携带这样的模式,使用一个碗状发射器扭曲成一个非常浅的螺旋。但是他们无法获得资金来测试他们的天文无线电信号技术,所以他们决定将其应用于地面通信。“明星就像一部手机,”Tamburini说。“所以如果我们不能用纯物理来获得资金,那就去申请吧。”

目标是丰富的。如果每个轨道角动量模式可以用作单独的数据信道,那么可以向同一射频添加几十个甚至数百个额外的信道。解决现代电信面临的容量问题,回报巨大。

经过几次成功的试飞,Tamburini和泰德开始计划威尼斯的示威游行。Tamburini说:“这就像是一辆非常漂亮的赛车,是为广告做的。”“我们试图吸引私人投资者的注意,这是有效的。”2012,科学家们成立了一个名为Twitter SRL的公司,与欧洲最古老的电信公司SiaEe MeleTrimoNICA合作开发这项技术。Tamburini说,这笔交易价值500万欧元(约合700万美元),支付金额取决于会议的关键里程碑。

“作为电信工程师,我们第一次看到这一点感到惊讶,”SiAE的微波实验室主任Piero Coassini说,他现在领导了一个小团队,用Stut-Surl SRL工作。SIAE专注于点对点通信系统,特别是在移动电话塔之间,Coassini说OAM广播是公司的蓝天项目。然而,他乐观地认为,经过三年的开发工作,短程通信链路可能开始将OAM无线传输到显示屏上。“OAM是电磁通信的一个新的维度,”他说。

今年2013年9月,国际电信联盟(ITU)无线电通信局局长Francois Rancy(TimRealman)访问了Padua,以查看该系统的运行情况。这次实验使用了三个发射器,一个是顺时针螺旋,一个是传统的碗,第三个是逆时针螺旋,产生三个OAM模式,全部由17千兆赫兹的无线电波携带,超过150米。三个传输采用正交幅度调制,表明OAM可以兼容作为现有通信系统的附加设备。“我看到的东西给我留下了很深的印象。”朗茜总结道。“这表明,这种技术可以使频谱乘以三或更多。”

ITU的专业委员会中的两个将仔细研究OAM无线电建模,例如,如果部署了大量的天线,网络会发生什么。“这有可能给通讯界带来巨大的变化,”Rancy说。“但我们必须避免过于乐观,并提出错误的期望。”


f许多科学家认为,威尼斯的示威活动已经引起了人们的期望。“这个说法听起来像是一个惊人的发现,”Perruisseau Carrier说。然而,他确信这种“突破”并不是什么,威尼斯是一个公开的噱头,它将吸引公众资金进入一个技术性的死胡同。所以他和他的同事们写了一篇评论Tamburini的论文,加入了另外两个刚刚出版的反击。

他们的主要反对意见之一是,虽然轨道角动量确实能携带无线电波中的信息,但它不会成为有用的技术。隆德大学的一位信息技术研究者Ove Edfors撰写了一篇论文,他说:“它不能提供一种实用的手段来提高沟通能力。”

光束或无线电波在中心处通常是最亮的。但相反的是,在携带轨道角动量的光束中,它们的心脏有一个黑点,被一个包含大部分光束功率的环所包围。由于光束在行进时传播开来,所以在长距离上,这个洞被放大成巨大的比例。如果天线仅仅间隔几米,并且对准非常精确,接收器就可能捕获可读信号。但在数英里之外,信号的功率会被一个巨大的环消散,而这个巨大的环只能由一个不实际的巨大接收器盘捕获。更糟糕的是,在光束中加入更多的扭曲也会使孔变大,并且难以可靠地接收。如此多的无限数量的额外渠道。

明星就像一部手机。

还有争议的是,Tamburini和THIDE通过单独的天线传输每个模式。Perruisseau Carrier和其他人认为,这只是一种多输入多输出(MIMO)通信的形式,已经用于增加无线容量,因此不是新的。MIMO使用多个天线,使得信号从建筑物和树上发射不同的路径,例如,它们在稍微不同的时间到达目的地。这意味着它们可以使用相同的波长,但也可以单独读取,好像每个信号沿着它自己的“虚拟线”行进。“威尼斯实验中的每个OAM模式在MIMO中起到天线的作用。如果有人告诉你这不是MIMO,他们错了,“Perruisseau Carrier说。

随后的讨论变得越来越激烈。“这些人不是电信工程师,不幸的是,他们没有花时间去充分了解在这个领域里做了什么。”Perruisseau Carrier说。Tamburini和他的同事们对这些抱怨进行了反驳。他们可以称之为MIMO,MIMO-AM,乔,佐罗,或者其他任何人想要的。“我们不在乎,”坦伯利尼去年在一封电子邮件中反驳道,他的做法是否是新的。“重要的是它在运转,我们从中赚钱。”

Perruisseau Carrier说他得到了电信界的大量支持,他们都同意他的反对意见。泰德驳斥了这一点,认为他们只有少数批评者,而且他们比消极的反馈更积极。去年年底,THIDE在加拿大温哥华的无线世界研究论坛上发表了自己的研究成果,他表示他对代表们对这项技术的质疑感到满意。“我离开温哥华的感觉很好,”他说。“最后,我们得到了信息。”

托雷斯指出了一些批评有一个共同的假设:扭曲的光束在一个被称为“远场”的区域中被探测到。但最终,风扇生长得如此之大,其前部基本上是扁平的,看起来像一个无限平面的任何接收器。在这个范围内,接收器将无法区分波中的任何扭曲结构。

“重要的是它在运转,我们从中赚钱。”

但远场意味着远不止于此,托雷斯说。“事实上,接收天线可以是几百米甚至几十公里以外的发射天线,仍然是在电磁近场,”他说。他说,只要接收器足够大,它就应该能够分辨出无线电波束的结构。托雷斯说,对于使用OAM进行自由波无线电通信的一些最深的反对意见,包括德克萨斯A& M的基什声称违反了热力学第二定律,似乎犯了这个错误。

至于中间问题的洞,SiAE的Coassini说,这不是一个根本性的障碍,它只是另一个工程问题要解决,也许是阻止光束传播这么多。保持束紧也将确保所需的接收器不是太大。托雷斯说,即使技术修复不能克服“油炸圈”问题,这项技术仍然可以用于提高几百米的生产能力。也许,当游艇停泊在港口时,或者当一个足球队在一个拥挤的体育场里得分时,电话会突然出现激增。

Tamburini补充说,他们已经在开发甜甜圈问题的解决方案上取得了不错的进展,并期望在一年内进行实际的示范。“这是个非常聪明的主意,”他激动地说。现在,他与SIAE合作,但他不能透露突破(虽然他可能发布一次专利获准)。商业秘密意味着坦布里尼的承诺不太可能与诽谤者达成协议,这场争论悬而未决。


T安布利尼在上演威尼斯的示威活动时,显然是在玩弄Marconi的遗产。但与无线通信先驱的相似之处比他预想的要深刻得多。

Marconi开始在意大利的无线电波工作,在1896前往英国之前,向海军、陆军和邮局的潜在买家展示他的系统。但在伦敦汤因比厅举行了一场公众表演,以巩固他的声誉。报纸被他的演示技巧所吓倒,称他的设备为“Signor Marconi的魔盒”。宣传无疑帮助他商业化了这项技术。

但也产生了很多不良情绪。利兹大学的历史学家Elizabeth Bruton和Marconi的专家Elizabeth Bruton说:“人们对Marconi的宣传有怀疑。”“这无疑让很多科学家感到恼火。”Marconi在物理方面受过一些训练,但他对电信领域非常陌生。布鲁顿说:“他们觉得这里是一个跳起来的意大利人,他们没有合适的背景,没有和社区打交道。”

同样,Perruisseau Carrier很清楚,如果Tamburini在威尼斯的灯光秀没有引起如此多的公众关注,他可能会忽视这项研究。“这不是我第一次读一篇我认为不正确的文章,”他说。但是Tamburini的声明的非凡性质和紧随其后的不加批判的新闻报道促使他说出了自己的观点。

阿伯里斯特维斯大学的历史学家Iwan Morus说,像马可尼和坦布里尼这样的公众示威活动曾经是科学的一个组成部分。但是到了20世纪30年代,当科学变得更加专业化的时候,“Morus说,通过表演来宣传一项新发现的想法开始变得更加可疑。”“这种观念越来越不公平,在科学的尊严之下。”

Morus说:“我们现在有一种科学的文化,不把这种事情看成是科学生活的一部分,这真是太遗憾了。”“我认为我们在十九世纪失去了一些东西,科学和公众之间有着更直接的联系。”

十九世纪,通信技术的发展也伴随着物理学家和电气工程师之间的激烈争论,比如电报线路如何工作,例如一边理论一边争论,一边从实践中争论。Morus说,随着这些领域变得更加专业化,其边境地区文化冲突的可能性也在增加。他说:“我认为这会导致更多的纠纷。”

如果Tamburini在威尼斯的灯光秀没有引起如此多的公众关注,他可能会忽视这项研究。

坦布里尼看到的只是通讯中断,因为人们只训练自己的狭隘领域的语言。“这是一个超级专业化的问题,”他说。托雷斯同意来自物理学和工程背景的人们倾向于在扭曲的无线电波中相互交谈。“这可能会造成混乱,”他说。他补充说:“物理学中,他们对基本原理更感兴趣。”“对于电气工程师来说,他们只是对他们得到的渠道感兴趣。”

与Marconi的局外人地位相呼应,Tamburini也怀疑一些批评家是否讨厌这个想法来自射电天文学,而不是他们自己的领域。泰迪同意:“我禁不住觉得这些是酸葡萄的感觉——‘该死的,我们为什么没想到呢?’”

这表明,虽然围绕OAM广播的辩论已经被拮抗作用着色,但它在光谱的红外部分在更高频率上确实是亲切的。南加州大学的电气工程师Alan Willner正在扭转激光束来组合数据流,并增加通过自由空间或下行光纤传输的数据量。他说:“但我不清楚有很多根本的区别。”

然而,威尔纳如何接近他的研究有很大的不同。作为一名通信专家,威尔纳说他受益于与研究扭曲光的物理学家密切合作,包括Padgett。“我们从不同的角度来看,每个人都受益。”你让物理学家去思考工程系统,工程师们必须思考基础物理,“他说,”有一条模糊的线。

除了跨越学科鸿沟之外,威尔纳还有一个无可挑剔的科学谱系:他是光学与光电子专业协会的副会长。虽然这项工作已经在所有领先的科学期刊上发表了所有必要的警告,但没有出现令人眼花缭乱的公共光节目。

甚至一些Tamburini的批评家说威尔纳的技术在这些情况下也有潜力。“如果我们得到真正的高频光而不是无线电,轨道角动量通信的概念更有意义,在某些特殊情况下可能是可行的解决方案,”Edfors说。


ACK在意大利,研究和开发扭曲的无线电波是独立于辩论进行的。它已经帮助Tamburini实现了童年的抱负。Tamburini在十二月写给我的信中写道:“我终于拥有了我从小就梦寐以求的经典法拉利。”几周后,一位科学家跟随着一张照片,穿着黄色衬衫和棕色平底鞋,看上去很放松,他专心致志地在一辆闪闪发光的红色跑车上休息。“我有两次心脏病发作,我必须冷静,”他说。“但我还是开赛车。”


Mark Peplow是英国剑桥的科学记者。

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