近日，上海理工大學(xué)顧敏院士、方心遠(yuǎn)研究員課題組在光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上發(fā)表題為“用于高精度模式特征編碼的軌道角動(dòng)量介導(dǎo)機(jī)器學(xué)習(xí)”（Orbital angular momentum-mediated machine learning for high-accuracy mode-feature encoding）的研究成果，光子芯片研究院方心遠(yuǎn)研究員、博士生胡曉楠、李保莉博士為共同第一作者，顧敏院士和方心遠(yuǎn)為通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。

作為一類典型的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，軌道角動(dòng)量（即Orbital angular momentum，英文縮寫OAM）光束具有螺旋相位及“甜甜圈”形狀的光強(qiáng)分布。由于其理論上具有正交無(wú)窮物理狀態(tài)，軌道角動(dòng)量可以用作信息載體，提升光通訊、全息、光存儲(chǔ)、顯示、圖像處理、量子信息等領(lǐng)域的信息容量及安全性。在此過(guò)程中，雖然已經(jīng)發(fā)展了多種全光的軌道角動(dòng)量解碼方法，但是目前逐像素的軌道角動(dòng)量編碼技術(shù)使得信息處理過(guò)程中仍會(huì)產(chǎn)生巨大的延遲。

因此，課題組致力于構(gòu)建衍射型的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將輸入信息展開(kāi)為軌道角動(dòng)量譜，利用光學(xué)衍射過(guò)程實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量譜卷積及模式選擇，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)輸入信息軌道角動(dòng)量特征并實(shí)現(xiàn)高精度編碼。結(jié)合軌道角動(dòng)量解碼器，該方案被應(yīng)用于全光編碼軌道角動(dòng)量光通訊、端到端可切換圖像顯示、全光降維異常檢測(cè)等任務(wù)，為全光軌道角動(dòng)量智能信息處理提供了研究思路。

該研究利用全光機(jī)器學(xué)習(xí)將數(shù)據(jù)特征轉(zhuǎn)化為軌道角動(dòng)量狀態(tài)的通用機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)任意信息在軌道角動(dòng)量維度上的自由轉(zhuǎn)換。光學(xué)機(jī)器通過(guò)學(xué)習(xí)智能軌道角動(dòng)量編碼這一“新課程”，打開(kāi)了以光速對(duì)特定數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像進(jìn)行軌道角動(dòng)量編碼的新大門，同時(shí)也打破了軌道角動(dòng)量域中光學(xué)降維的瓶頸。該技術(shù)有望開(kāi)拓光學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)在高容量、高安全經(jīng)典及量子光學(xué)中的應(yīng)用方向。

文章原理及概念圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01386-5

https://www.nature.com/articles/s41377-024-01386-5