摘要：攜帶軌道角動量（OAM）的電磁波被稱為渦旋電磁波，可進一步分為量子態OAM電磁波和統計態OAM電磁波2種。其中，量子態OAM電磁波中每位電磁波量子的內稟OAM不為零，可借助OAM化學量產生無線傳輸新維度；統計態OAM電磁波則是借助電磁波量子的外部OAM產生具有正交螺旋相位面的統計態雜波，因為統計態雜波與空域的緊耦合關系，可以被覺得是多天線MIMO系統特例。介紹了量子態OAM電磁波和統計態OAM電磁波的傳輸技術及通訊體制，說明了借助OAM維度可趕超傳統多天線MIMO容量界后產生富含OAM維度的新MIMO容量界。
關鍵詞：6G；軌道角動量；渦旋電磁波；無線通訊；電磁波量子
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.002
概述
隨著信息技術的發展，人們對通訊質量提出了更高的要求，針對后5代（B5G）和第6代（6G）聯通通訊技術的研究早已在全球業界積極展開。歐共體的地平線2020計劃（）對B5G項目進行了捐助。俄羅斯的聯邦通訊委員會（FCC）開放了THz頻段并已經開始6G研究。俄羅斯舉行了首個6G無線通訊全球論壇。國際聯通聯盟（ITU）則創立了專門的研究小組。
在國外，住建部于2019年促使創立了推動組，致力促進中國6G通訊技術研究，成員包括國外主要營運商和制造商，以及相關院校和研究機構。
通常覺得，6G的典型指標包括1Tbit/s峰值速度，μs級別延時，數倍于5G聯通通訊網路的頻譜效率等。相對于5G通訊網路而言，6G通訊網路性能有著明顯提高。為了滿足6G需求，業界積極探求新的無線通訊資源和技巧，提出了潛在關鍵技術。其中，軌道角動量（OAM）作為電磁波無線傳輸新數學維度遭到了較為廣泛的關注。
OAM是電磁波的固有化學屬性，OAM的數學量綱（ML2T-1）和電場硬度的化學量綱（MLT-3I-1）線性無關（其中M為質量，L為寬度，T為體溫，I為電壓），所以彼此獨立。精典電動熱學和量子電動熱學（QED）理論均強調，電磁波角動量包括載流子角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。載流子角動量表征了電磁波極化，OAM則表征了電磁波的波包在空間中的旋轉特點。具有OAM的電磁波又被稱為渦旋電磁波，攜帶不同OAM模態的渦旋電磁波具備正交特點，借助該特點進行無線傳輸可以極大地提高頻譜效率和傳輸容量。
OAM可進一步分為內稟OAM（）和外部OAM（）。電磁波從微觀上看是由大量電磁波量子構成的，內稟OAM表征了電磁波量子波包針對其中心產生的OAM，外部OAM則是針對定義的座標系產生的OAM。因而內稟OAM不會隨著外界空間座標系的不同而發生變化量子傳輸技術，但外部OAM則會發生相應變化。假如將地月系統稱作電磁波量子，則月球自轉可表示載流子角動量，地球繞月球公轉表示內稟OAM，地月系統繞太陽公轉表示外部OAM。
依據主要借助內稟OAM還是外部OAM，渦旋電磁波可分為量子態OAM電磁波和統計態OAM電磁波。量子態OAM電磁波由內稟OAM不為零的渦旋電磁波量子構成；統計態OAM電磁波則是由內稟OAM為零的大量平面電磁波量子統計建立成具有螺旋相位面的渦旋雜波產生，其實質上借助的是電磁波量子的外部OAM。
量子態OAM電磁波不能采用傳統天線（陣列）形成，須要通過專用裝置形成和測量渦旋電磁波量子所攜帶的OAM模態。量子態OAM電磁波的理論基礎主要為量子熱學和量子電動熱學。因為借助的是電磁波量子的內稟OAM，量子態OAM本質地反映了渦旋電磁波的OAM化學特點，可借助OAM化學量產生無線傳輸新維度，急劇增強頻譜效率，是從電磁波（光波）OAM被提出以來最重要的研究對象。
圖1渦旋電磁波相位面及其能量分布
統計態OAM電磁波可由OAM專用天線或天線陣列形成。由于傳統天線只能幅射平面電磁波量子，產生平面波（球面波）量子傳輸技術，所以微觀上看統計態OAM電磁波是由大量不同相位的平面電磁波量子構造出的具有正交螺旋相位面的雜波，如圖1所示，即統計意義上的合成雜波，其理論基礎主要來始于精典電動熱學。統計態OAM電磁波發送和接收都是借助天線，所以直接檢測的還是電磁波的電場硬度，并不是OAM。只能通過電場硬度來間接估算OAM模態，導致統計態雜波與空域的緊耦合，沒有真正彰顯出OAM所具備的化學新維度特點。因而，對于統計態OAM電磁波，仍然有觀點覺得其可以被視為多天線MIMO的特例。
本文概述了電磁波OAM傳輸技術發展歷史，指出了量子態OAM電磁波和統計態OAM電磁波概念內涵的差異，介紹了基于量子態OAM電磁波和統計態OAM電磁波傳輸技術和通訊體制，討論了相應的信道容量，明晰了渦旋電磁波OAM傳輸技術的主要優點。