- 南非金山大學與法國波爾多大學合作，成功進行全球首創激光實驗。
- 新研究無需複雜校正系統，能在湍流中保持光學數據完整性。
- 拓撲學原理應用於數據編碼，抵禦大氣擾動影響。
- 該技術有潛力降低長距離光學網絡的能源與運算需求。
南非金山大學（Wits University）與法國波爾多大學（University of Bordeaux）的研究團隊近日完成一項全球首創的激光實驗，成功在毋須複雜校正系統的情況下，將光學數據穿越充滿湍流的大氣傳送，並且完整保持資料完整性。這項成果有望徹底改變長距離光通訊的技術架構，減少對昂貴自適應光學設備的依賴。
地球大氣層一向是光通訊的最大障礙。冷熱空氣不斷交織翻動，令光信號在傳遞過程中出現扭曲、散射與幹擾。傳統的自由空間光通訊（Free-Space Optical Communication，FSO）系統必須持續量度大氣造成的失真，再透過硬件進行動態修正，才能勉強還原可讀的數據。這項新研究則提出截然不同的思路——直接無視失真本身。
新方法的原理與優勢
研究團隊運用數學中的拓撲學（topology）原理，將資料編碼進一種稱為「斯格明子」（skyrmions）的類粒子磁性結構中。拓撲學研究的是物體即使被拉伸、扭曲或變形後仍保持不變的性質。金山大學結構光實驗室主任 Andrew Forbes 教授以咖啡杯與冬甩圈為例解釋：「兩者形狀截然不同，卻同樣有一個洞。無論如何拉伸或扭曲，這個根本特質都不會改變。光束同樣可以嚴重失真，但其拓撲資訊卻維持不變。」
團隊在約翰尼斯堡金山大學西校園的兩棟建築物之間，建立一條長達 270 米的自由空間光學鏈路，並將斯格明子編碼的激光束穿越真實環境中的熱氣流、風勢與大氣雜訊。當光束抵達接收端時，其外觀形狀已嚴重扭曲變形，但內含的拓撲數據卻完好無缺。在大多數情況下，數據傳輸保真度超過 98%，即使在極端湍流環境下，仍能維持 86% 的準確度。
潛在應用與影響
光纖電纜能夠隔絕外部幹擾，保護光的顏色、強度與偏振狀態；而非導引的開放式光傳輸則令信號極易受環境破壞。傳統 FSO 系統必須即時計算並修正大氣造成的損傷，接收端需要動態硬件調整才能讀取清晰信號。採用新方法後，拓撲結構本身能夠抵禦大氣的擾動，接收器可直接讀取編碼內容，毋須事先清理光束。
若能擴大規模應用，這項技術有望降低長距離光學網絡的能源與運算需求。具體應用範疇包括深太空探測任務、高速衞星下行鏈路，以及量子加密通訊。在地面應用層面，新技術或可協助縮減數碼鴻溝，毋須鋪設昂貴的光纖電纜，便能為農村及偏遠社羣提供從空中直接傳送的高速互聯網服務。研究成果已於學術期刊《Science Advances》發表。
新技術對光通訊的革命性影響
這項研究顯示，傳統光通訊面對的大氣干擾問題可透過創新方法解決。利用拓撲學原理，研究團隊成功將數據編碼於斯格明子中，使得即便在極端環境下，數據也能保持高保真度。這不僅減少了對昂貴自適應光學設備的依賴，還有潛力改變長距離光學網絡的架構，促進更廣泛的應用，包括農村地區的高速互聯網服務。