光通信是互联网的支柱，使用调制激光器通过超过100个不同颜色的通道（使用波长分割多路复用）传输数据，每个通道的速率为100亿比特每秒。实验室已经证明，与只有1和0的编码模式相比，多比特编码模式可以进一步提高吞吐量，但由于信道中的噪声引入的错误，特别是在连接卫星、潜艇甚至活细胞的自由空间信道中，所有这些模式都会受到影响，南非约翰内斯堡大学的研究人员表示。
现在，约翰内斯堡大学的研究人员通过使用向量（偏振）光束纯度的定量度量作为信息载体来演示了一种模式分割多路复用（MDM）方案，该定量度量被称为向量质量因子（技术上称为极化可分离性），它可以编码不仅仅是1和0，而是无数种几乎不受信道噪声影响的向量光模式。
光学通信专家、南加州大学（USC）电气与计算机工程系杰出教授阿兰·威尔纳说：“约翰内斯堡大学的研究团队为光学通信领域做出了重要贡献。他们重要地向全世界的研究人员展示了如何使用具有特殊定制极化分布的光束传输多级数字信息，这些信息相对不受湍流的影响。”威尔纳表示，这一进展“有可能对许多不同类型的光链路产生重大影响，特别是那些受湍流影响的链路，这在研发社区中备受关注。”
根据约翰内斯堡大学的研究人员，经过噪声信道的传播（包括长距离光纤、大气湍流、水下湍流，甚至透明细胞材料），向量光束的强度和极化轮廓会发生扭曲，而向量质量因子则不受影响。
根据威尔纳的说法，这种技术通过调制向量质量因子而不是激光的幅度来实现，使用的光学元件包括透镜、半波片、沃拉斯顿棱镜、线偏振器、数字微型镜和光电二极管，所有这些元件都可以与激光器集成在同一芯片上。
研究人员表示，与其他MDM编码方案不同，这种方法不受信道中的噪声干扰。向量质量因子不变，不会受到显著的串扰影响，可以与现有的波长分割多路复用系统一起使用，其多比特信息容量（由0到1之间可以可靠检测到的级别数量决定）仅受接收器探测器的灵敏度（噪声底线）限制。
约翰内斯堡大学的安德鲁·福布斯表示：“我们的结果表明，您可以将0到1的范围分为任意多个级别，只受所使用的探测器的灵敏度限制。我们在概念验证测试中使用了非常廉价的探测器，因此编码了一个包含50个级别的字母表，但是使用正确的探测器技术，这个字母表可以编码成千上万个级别。”
对更高速光通信的无止境需求促使其他许多研究团队探索多比特编码的替代方案，而不仅仅是1和0编码，包括许多其他模式分割多路复用方案。例如，法国研究人员早在1982年就在光纤中演示了模式分割多路复用，但仅限于实验室中的10米长度。最近，中国研究人员已经实现了超过一公里的改进。然而，根据福布斯等人的说法，即使这些成功的模式分割多路复用技术也受到信道噪声的限制，这会扭曲传输的模式，并引入检测中的错误。相反，提取不变的、受量子启发的度量标准——作为信息载体的向量质量因子——使其传输对信道噪声不敏感。实际上，根据研究人员的说法，他们的不变向量质量因子可以将0到1之间的模式数量按照被使用的接收器探测器的噪声底线进行扩展，而不受信道噪声的影响。
“使用矢量光的不可分离性来实现这一想法，矢量光的可分离性可以从0（完全可分离）到1（完全不可分离）变化，这是一种‘量子’度量，” Forbes说道。“我们需要用于测量这种不变性属性的探测器只是简单的光电二极管。这是一个巨大的优势，因为这意味着人们不需要复杂的光电子学来识别编码的模态图案，只需要其矢量质量因子。”
根据Forbes的说法，竞争的模式分割复用方法必须将模态图案识别为其检测方案的一部分，因此需要更复杂的成像器和相关的模式识别算法，这在光纤和自由空间通道中都容易出错。
“问题在于，在非理想系统中‘图案’会发生扭曲，这对通信来说是一个严重的问题；你发送一个‘A’，但是图案探测器认为它是一个‘B’，” Forbes说道。“在我们的方法中，我们可以利用许多图案而无需识别它们。我们的方法是一种模态方法，而不需要识别模式，只需识别它们的矢量质量因子。我们的优势在于我们的技术需要兼顾经典通信和量子物理学，我们是世界上少数几个同时做这两者的团队之一。”
在量子计算中，共轭是表示纠缠的不变状态，后来被推广为表示可分离性的连续变量状态。Wits团队将这种量子度量应用于其连续矢量质量因子，为寻求通过多位编码来提高信息容量并抵抗信道噪声的光通信研究人员提供了帮助。
R. Colin Johnson是一位京都奖学者，他在科技新闻界工作了二十年。