太空中也能刷短视频？激光通信的“光语言”揭秘

01

保持通信，在千万公里外

在人类真正踏上火星前，除了制造更大的火箭、研究怎么在陌生星球生存外，我们还要解决一个重要问题：如何保持与地球的通信？深空通信项目的价值正在于此。

广义上讲，月球轨道及以外的宇宙空间都是深空，当探测器深入千万乃至上亿公里外的宇宙时，与地球的时空纽带就会成为其顺利完成探测任务的关键保障。

如今，随着遥感技术发展，发射到深空的探测器往往会配备高光谱成像仪、合成孔径雷达等高分辨率图像采集设备，会采集到各种复杂的科学信息、高清图像；常见的机器人或载人探测任务也会产生许多语音、视频、宇航员健康监测数据等。传统以微波为主的通信手段已经很难满足信息传输的通信速率要求，以激光为载波的深空光通信系统走到聚光灯下。

2023年年末，NASA公开了一段15秒的“萌宠”视频，视频里的橘猫Taters正在追逐着一个移动激光光点。这段在抖音上或许平平无奇的视频，却标志着一个历史性的里程碑——这是人类首次利用激光，成功地将一段超高清视频由“灵神星”号（Psyche）探测器从约3100万公里（大概是地月距离的80倍）外的深空发送到地球。

此外，这段视频还包含了几个重要技术参数，比如“灵神星”号的轨道路径、帕洛玛天文台海尔望远镜的穹顶，以及有关激光及其数据比特率的技术信息。还有Taters的心率、颜色和品种等数据，也实时展示在上面，直接对标人类宇航员。

“灵神星”号深空传回的视频，包含诸多数据

更重要的是，通过NASA给出的数据，这段视频通过“飞行激光收发器”（ flight laser transceiver）发出后，视频信息编码为近红外激光束，以每秒267兆比特（Mbps）的系统最大比特率发送到美国加州大学的帕洛玛天文台，仅仅用了101秒。

这比研究人员在天文台，通过移动互联网发送同一视频到加州南部的实验室还要快。这意味着借助激光通信，未来有一天，当人类真的登上距离地球2.25亿公里的火星后，激光通信技术也能满足我们传输复杂信息以及高清图像、视频的需要。

02

激光通信的“光语言”解码

激光通信和我们曾解读过的量子通信有“异曲同工”之妙——它们都属于光通信范畴下的技术路线，但细究起来，两者其实是毫不相干的两码事。

量子通信是利用光量子的偏振态特性发出真正随机生成的二进制密钥，同时利用光量子不可逆的特性秘密传输信息，重点在于其安全性。

而激光通信就是利用激光光束本身传递信息，重点在于“量大、速度快”。

NASA这次完成的深空激光通信原理其实很简单，数据信号先是转换为串行二进制，再被转换为光信号，并通过激光器以高能量的激光光束的形态射出；然后，激光光束再通过真空传播，最终到达接收器；接收器接收到激光光束后，要将光信号转换回电信号，才能恢复出原始的数据信息。

地面接收设备模拟

与传统的无线电波通信技术相比，激光通信系统所用的红外光是一种频率比较高的波，能比普通微波频率高3到4个数量级。根据无线电通用的“经验公式”，频率越高也就意味着频宽（带宽）越大——其实就是因为高频段的频谱资源空白较多，低频段频谱资源都已经拥挤不堪，高频段自然频宽更大。

业内人士表示，如今星间激光通信还无需申请频率许可，而传统的无线电波频段是战略资源，目前国际电联严格管控星载微波频段，很难再申请到大容量数据带宽。

打个比方，频宽可以理解为水管，通常我们说网络传输速度快的意思其实是，单位时间内数据的吞吐量越大表示越快。频宽越宽代表水管越粗，在同等流速情况下，水管越粗的在单位时间内流出的水量也就越大，这样就能理解为什么频宽越大，传输速率越快、内容“载重”越大了吧。

激光通信就如同弹簧“压缩”一般，压入大量数据，并且其从深空传输数据的速度能比目前使用的最先进无线电通信技术快10至100倍。通过激光通信下载一部高清电影只需几秒钟，而传统无线电通信可能需要几小时，这就好比从拨号上网一下跳升到了光纤上网。

03

挑战“不掉线”

按照激光通信的过程，光是“打包压缩”信息、再以红外光波的形式送出去还不够，要保证信息原封不动的传递到地球，激光光束还需要经过精确的定向、聚焦和接收处理。

中国科学院微小卫星创新研究院研究员李锐解释，由于激光方向性强，需要通过高精度对准平台实现天地收发端精确对准，才能传输信号，也就要求高精度光学对准技术发展。

方向性好且能量集中，一方面是优势——地面接收望远镜口径可以做得小一点，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线设备，探测器端也可以做的体积更小、重量更轻。经济效益上看，也能让激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

但从另一方面来看，这些特点就变成了挑战。我们可以把激光发射器想象成一盏高瓦数但不发散的射灯，深空到地球传信意味着要准确地在千万公里外，穿进一枚铜币的中心，而这枚铜币和射灯本身都在运行中且不同步。

在尝试深空激光通信前，NASA曾利用激光光束把一段高清视频从距地面400公里国际空间站传送回地面，那一次主要的挑战就是如何“极度精确地”锁定位于美国加州一个小镇的地面站。NASA当时的项目负责人曾表示，这一任务就像要求“在10米开外，于行走中始终用激光指针瞄准某根头发的末梢”。

此外，从深空到地面，激光通信还要求发射方和接收方之间应没有遮挡，也就是满足“通视”这一激光通信的首要条件。

激光通信首先要避免光束与太阳在一条直线上，因为太阳辐射能量分布在从伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线到无线电波的整个电磁波谱区内；其次，还要考虑大气内的气象因素，也就是地球大气层和云雾的影响，云层很有可能会导致通信质量下降甚至无法通信。

不过这些难题“灵神星”号都有所准备。比如为了提升通信的可靠性和稳定性，“灵神星”号采用了高效编码技术，通过对数据进行优化编码以及前向纠错编码等技术，在有限的带宽内实现更高数据传输速率的同时，降低了误码率，也就是避开宇宙射线、尘埃等物质，进一步提高数据传输的准确性。

不过，深空激光通信技术还不算尽善尽美，要想在复杂的深空环境中保持稳定的通信联系还需要高效半导体激光器、低噪声高灵敏度单光子探测等技术不断研发迭代。2016年时NASA曾预计，光通信技术将在2025年真正应用于深空探测任务中，并逐渐开始占据主导地位，高速、高通量的天地一体化通信网络或许近在眼前。

中德学者首次发现超快卡皮查狄拉克效应，能直接观测电子相位信息

近日，浙江大学林康教授和合作者，首次发现了超快卡皮查-狄拉克效应，相关论文发在 Science 上。

图 | 左起莱因哈德·多纳（Reinhard Dörner）、林康（来源：资料图）

这一发现为研究电子性质开辟了全新的技术手段，让人们可以更深入地探索电子行为，比如可以利用卡皮查-狄拉克干涉仪来作为电子波包相位的精确诊断工具。

（来源：Science）

同时，本次成果也为学科交叉提供了新见解，预计将在电子衍射成像和自由电子激光等领域发挥作用。

通过这一方法，有望在电子运动的本征时间尺度上追踪电子的相位演化，并通过电子相位信息开发精度更高的成像技术。

此前，在电子衍射成像领域，需要利用电子束衍射样品，通过衍射图案反演出样品的结构信息。

而现在，借助超快卡皮查-狄拉克效应，将能进一步通过驻波脉冲，针对电子的相位信息进行读取或整形，从而为材料科学和纳米技术的发展提供新的诊断工具。

在自由电子激光领域，这一效应可被用来调控电子束的性质。比如，驻波脉冲可被用来当作电子束的分束片或光栅，从而实现电子束的分束，进而增加自由电子激光多用户线程。

总的来说，超快卡皮查-狄拉克效应不仅为观测和理解电子的行为提供了一种全新手段，还为其他领域的应用研究和技术发展带来了新的机遇。

林康表示：“最近，我收到了电子显微成像领域的报告邀请，其他学者很好奇本次发现会和他们的领域交叉出什么新奇的结果。”

而相信随着技术的不断进步，这一效应将发挥出更重要、更深远的作用。

最简单、最重要的基本粒子之一

据介绍，电子——是世界上最简单、同时也是最重要的基本粒子之一。有趣的是在微观世界里，电子的行为更像是一种波，就像石头在水面激起的波纹一样。

当对电子波动行为进行描述时，有一个至关重要的参数——那就是相位。

科学家们长期以来一直面临着一个挑战：如何直接观测电子的相位。

电子的相位是描述电子波动性质的关键信息，对于理解许多物理现象都至关重要，比如超导。因此，实现对于电子相位的直接观测，一直是科学界的迫切需求之一。

要想测量电子波函数的相位，就必须构造一个干涉仪，通过一个已知的参考波与信号波发生干涉来读取。

但是，当使用干涉仪针对电子相位进行测量时，也有可能改变电子相位。需要说明的是，这里的“干涉仪”是广义上的测量方案，并不是狭义上的具体仪器。

简单来说，干涉仪本身对电子波函数的影响越小，那么它测得的相位信息就越准确。目前，绝大多数的干涉仪都是使用行波构造而来。

也就是说，通过几束同向传播的激光来构造干涉仪，通过光与电子的相互作用来读取电子波函数的相位信息。

2023 年诺贝尔物理学奖授予了研究阿秒物理的学者。其中一个技术发明便是构造了 RABBITT 干涉仪，来测量电子在能量域上的相位，从而得到电离延时。

审稿人：“这真的非常酷！”

而针对超快卡皮查-狄拉克效应的研究，始于林康于 2019 年在德国法兰克福歌德大学的博士后工作。

当时，他的博后导师 Reinhard Dörner 教授希望林康能“重启”这项研究。

因为早在 2014 年，Reinhard Dörner 团队就曾开展过尝试，然而一直没有取得突破。

当时，课题组的设想是直接用驻波脉冲产生并衍射电子，但却并没有看到衍射条纹。

林康接手这个课题之后，刚开始依然沿着这个思路进行了尝试，结果可想而知也失败了。

由于没有头绪应该如何改进，他暂时调整研究方向，开始了强场非偶极效应的相关研究。

非偶极效应这个课题虽然和卡皮查-狄拉克效应的物理完全不同，但是这两个课题用的却是同一套实验系统：即飞秒驻波符合测量谱仪。

非偶极效应，研究的是行波电离产生的光电子的非偶极效应，但是需要利用驻波电离的光电子来标定零点。

而卡皮查-狄拉克效应研究却完全是另一回事，即驻波被当作光栅来衍射电子波。

而在此期间，林康对设备的操控能力得到了显著提高。

两年后，该团队决定再次尝试超快卡皮查-狄拉克效应，这一次他们改变了此前的实验方案，决定采用泵浦-探测实验方法。

也就是说不同于已被广泛应用的行波干涉仪，林康等人在实验中首次利用驻波干涉仪，来测量电子的相位信息。

利用两束反向传播的激光脉冲，可以形成驻波与电子的相互作用。这时，一部分电子会发生受激康普顿散射，散射电子波与原始电子波则会发生干涉从而形成干涉条纹。

针对这一现象，该团队将其命名为超快卡皮查-狄拉克效应。通过此，他们首次将传统卡皮查-狄拉克效应拓展至时间维度，实现了对电子波运动过程中相位演化的超快时间分辨。

传统的卡皮查-狄拉克效应，最初于 1933 年由前苏联物理学家卡皮查（Kapitsa，Petr Leonidovich）和英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）提出。

传统卡皮查-狄拉克效应由于没有时间信息，因此无法测量电子波的相位随时间的演化。

而本次研究的创新之处在于：通过“泵浦-探测”手段将产生电子和探测电子清楚地区分开来，从而能以前所未有的精度，观察电子相位的动力学演化。

通过观察电子在不同时刻穿过驻波脉冲产生的衍射条纹，可以直接获取电子的相位信息。

（来源：Science）

研究中，林康先用一束激光电离产生电子，等待一段时间后，再利用飞秒驻波来衍射电子。通过预先的理论模拟，确认了此次方案的可行性。

“最终，我在实验室第一次看到了衍射条纹，实现了从 0 到 1 的突破。”林康说。

日前，相关论文以《超快卡皮查-狄拉克效应》（Ultrafast Kapitza-Dirac effect）为题发在 Science，林康是第一作者兼共同通讯，Reinhard Dörner 教授担任共同通讯[1]。

图 | 相关论文（来源：Science）

其中一位审稿人评价称：“此前实验通过电子枪产生横向动量分部很窄的电子束，而当前实验从局域化的原子出发，并且通过激光场定位电离产生电子波包。这真的非常酷！”

家人支持促成论文发表，入职浙大再接再厉

此外，林康补充称：“我平时大部分时间都花在工作上，是我老婆一直在照顾家庭。”

在做实验那段时间，林康老婆推着婴儿车在实验室外面的草地上带孩子，林康则在实验室里优化实验条件。

调好一个实验条件之后，林康就来和她一起带孩子，同时等待实验数据累积，然后通过实验结果判断这个条件好不好。

“没有我老婆给予我的支持，我是完全没有办法花那么多时间在工作上的。不然，我估计超快卡皮查-狄拉克效应的发现至少要被延期半年以上。”林康说。

目前，已经回国并加入浙江大学任职的林康，也开始了新的研究。其表示：“现在我和团队正在更加系统性地研究超快卡皮查-狄拉克效应。”

在上述 Science 论文里，林康只测量了单个电子脉冲的相位。当有多个电子或离子纠缠在一起时，它们的相位信息也会有关联。

通过测量多个电子或电子与离子之间的相位关联，可以为理解多粒子纠缠提供新的观测量。也就是说，在现有的认识里这块拼图是缺失的。

此外，利用超快卡皮查-狄拉克效应可以实现交叉研究。手性对于认识生命的起源具有重要意义。比如，DNA 大多是右旋的。

那么手性的起源到底来自何处？通过超快卡皮查-狄拉克效应，则有望在单分子层面上加深对手性起源的理解。

即通过从手性分子释放手性电子波，然后利用驻波去衍射手性电子波，进而提取其相位信息。而这些，都是林康目前正在耕耘的新目标。

参考资料：

1.Lin, K., Eckart, S., Liang, H., Hartung, A., Jacob, S., Ji, Q., ... & Dörner, R. (2024). Ultrafast Kapitza-Dirac effect.Science, 383(6690), 1467-1470.

运营/排版：何晨龙

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